基于ADAMS與ANSYS壓縮機(jī)曲軸系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真研究

王超，付景順

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

1 前言

隔膜壓縮機(jī)與往復(fù)壓縮機(jī)一樣通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)，通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)將往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。曲軸一端連接著電機(jī)，另一端連接著連桿部件、十字頭部件、活塞部件等，曲軸是壓縮機(jī)運(yùn)動構(gòu)件的核心動力源。在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸承受著慣性力、往復(fù)摩擦力，以及隨著曲柄角度變化而不斷變化的氣體力，因此在設(shè)計(jì)時需要分析曲軸在各種交變載荷的作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足工作要求，以及曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和危險(xiǎn)截面的應(yīng)力大小。傳統(tǒng)應(yīng)力計(jì)算不能詳盡的了解曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要借助虛擬仿真技術(shù)加載曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。

2 曲軸系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模

2.1 建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各零件實(shí)體模型

Adams軟件不適合建立復(fù)雜的實(shí)體模型，這里需要借用Solidworks軟件完成隔膜壓縮機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)各零件的實(shí)體建模。主要的結(jié)構(gòu)組成包括曲軸部件、連桿部件、十字頭部件、活塞桿部件、中體部件等。

2.2 曲軸系統(tǒng) Adams 建模

進(jìn)入Adams/View窗口，導(dǎo)入機(jī)體原始模型（格式為x_t）。

導(dǎo)入Adams后，檢查各部件安裝位置，然后設(shè)置運(yùn)動副，設(shè)置完運(yùn)動副，加載動力，驗(yàn)證模型合理性。

2.3 活塞壓力函數(shù)加載

根據(jù)隔膜壓縮機(jī)參數(shù)，得到曲柄在旋轉(zhuǎn)過程中不同角度的氣體力。如圖1所示。

圖1 氣缸氣體力

曲軸轉(zhuǎn)速為495r/min,則曲軸旋轉(zhuǎn)一個周期為1/(495/60)=0.2424s，曲軸的旋轉(zhuǎn)約束的轉(zhuǎn)速函數(shù)為（495*6）d*time。

對曲軸連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行多體運(yùn)動學(xué)分析，只需要將氣體力正確加載到活塞表面。

根據(jù)氣體力變化，以氣缸1（垂直水平）為例，編制活塞壓力函數(shù)并施加在活塞頂部，具體為：

氣體壓力函數(shù)加載到模型上，得到活塞壓力曲線，如圖2所示。

圖2 活塞1、2活塞壓力曲線

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在 ANSYS軟件中可實(shí)現(xiàn)對曲軸進(jìn)行柔性化的處理，并同時生成Adams/View軟件所需要的模態(tài)中性文件（.mnf），然后在Adams/View中將原來的剛性曲軸替換成柔性體曲軸，柔性體曲軸帶有曲軸的質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)等屬性。經(jīng)過對柔性體曲軸模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，曲軸前六階固有頻率變化過小，可忽略不計(jì)。

圖3 曲軸連桿機(jī)構(gòu)柔性化模型

在預(yù)載荷模態(tài)下，獲得曲軸結(jié)構(gòu)最低階次頻率為471Hz.本產(chǎn)品壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)n=495r/min，在運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，轉(zhuǎn)動基率為16.5Hz，可以避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 運(yùn)動學(xué)分析

運(yùn)動學(xué)仿真是為了連桿、活塞位移、速度、加速度之間的關(guān)系。

本例分析過程中，活塞桿1和活塞桿2相位差為90°，以豎直方向?yàn)榛钊麠U1，水平方向?yàn)榛钊麠U2。

5 曲軸強(qiáng)度分析

曲軸在工作過程中曲柄銷承受著復(fù)雜的雙作用力狀態(tài)，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，采用等效應(yīng)力來評估曲軸強(qiáng)度。利用Adams仿真計(jì)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，對曲軸危險(xiǎn)工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得到曲軸在此危險(xiǎn)工況下的變形及等效應(yīng)力分布。

由以上計(jì)算可以得到，曲軸受到的瞬時最大應(yīng)力為42.56MPa，最大變形位移量為0.0082mm，集中發(fā)生與曲軸主軸頸的圓角位置。曲軸材料為45鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大等效應(yīng)力，結(jié)構(gòu)總體上已經(jīng)滿足了實(shí)際使用性能要求。

圖4 活塞位移、速度

圖5 活塞1的加速度變化曲線

圖6 連桿1對曲軸的軸頸載荷曲線

圖7 連桿2對曲軸的軸頸載荷曲線

6 結(jié)語

通過Solidworks對曲軸連桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜模型進(jìn)行建模，然后將模型轉(zhuǎn)入到 Adams進(jìn)行多剛體運(yùn)動學(xué)仿真，將曲軸進(jìn)行柔性化處理，可以提高仿真精度。通過Adams/View仿真實(shí)驗(yàn)，得到曲軸在周期運(yùn)轉(zhuǎn)下曲柄銷受到的載荷變化，將得到的變化載荷利用ANSYS workbench對曲軸進(jìn)行加載，完成靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了曲軸強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。