彭建颂++李勇

摘 要：以某型号离心式压缩机焊接机壳为例，采用Solidworks三维软件及其Simulation有限元插件对焊接机壳进行了静态有限元分析。根据计算结果，分析应力和应变云图数据，数据表明该型号焊接机壳静态下的应力和变形均在允许范围内。可为焊接机壳结构设计提供依据。

关键词：离心压缩机；焊接机壳；有限元分析；静态应力和变形

中图分类号：TH452；TB122 文献标识码：A

0.引言

离心式压缩机是一种动力型压缩机，在国民经济各部门中占有重要的地位，特别是在冶金、石油化工、制药、天然气输送以及动力等工业部门获得广泛的应用。离心压缩机的机壳，也称气缸，其毛坯通常是铸铁件或铸钢件。实际生产中发现，铸造机壳制造周期长、成本高，而且铸造出的机壳通用性差，存在铸造缺陷，有时在机壳加工过程中还要进行大量的补焊，甚至于机壳报废，使得铸造机壳的开发和生产受到了限制，制约了企业的发展。某透平机械企业为了改变这种状况，尝试以焊接结构设计制造机壳，以便加快产品的开发和生产。本文针对某透平机械企业一款离心式压缩机焊接机壳，运用有限元法进行静力学特性分析，依据数据分析，提出合理化建议，从而提高产品设计水平和效率，缩短开发周期。

1.离心压缩机机壳结构及参数

离心压缩机按结构特点可以分为水平剖分式、垂直剖分式，该型号离心压缩机为水平剖分式。压缩机由定子和转子两部分组成，定子被通过轴心线的水平面剖分为上下两部分，常称其为上、下机壳。上、下机壳用螺栓联成一个整体。机壳的材料为Q235B。

2.机壳模型的建立及网格划分

2.1 模型中焊缝的处理

此次主要分析、考查机壳的变形及应力分布情况，所以在建模过程中，认为焊缝与机壳本体物理机械性能相同，对焊缝不做考虑。

2.2 有限元模型的建立

根据某型号产品图纸，采用先进的三维实体建模软件Solidworks建立模型。该型号压缩机机壳由壳身、进气蜗室、排气蜗室、隔板安装座、锚爪、轴承箱等组成。建模时特征繁多、曲面复杂，建模过程中，难免会存在各种问题，导致网格划分不成功。因此在不影响整体计算结果的情况下，需对一些结构特征进行合理简化，以便有效地快速的划分网格。在建模时先采用“实体分割法”，即将机壳按上、下机壳两个零件分别进行网格划分，然后对机壳整体划分，这样可增加整体划分网格的成功几率。网格划分时，参数选择必需合理，过粗时结果可能包含严重的错误，过密时会计算时间长，甚至不能运行。因此，可利用“网格控制”的方法针对上下机壳的特点或则设计需要，控制网格单元的大小，以提高网格划分的速度和成功率。也可利用压缩功能，退回到初始特征，依次划分网格→简化或修改特征→再划分网格→再简化或修改特征→直至成功。在进行网格划分时，若划分失败，还可通过软件提供的插件“失败诊断”，查找原因，通过失提示找出解决对策。模型划分网格结果如图1所示，网格参数见表1。

3.约束与载荷

3.1 约束情况

根据离心压缩机的实际工况，机壳是通过4个“锚爪”用螺栓连接在底座上，处于脱离地面的状态，所以可简化为“锚爪”底面的约束，即限制4个锚爪底部在X、Y、Z3个方向的移动自由度。

3.2 载荷情况

机壳中装有转子、隔板、预旋器、气封、油封、轴承等。机壳自身的重量为9.5t，转子的重量为1.1t，隔板的重量为2.3t，预旋器的重量为0.45t，气封、油封、轴承的重量相对较轻可忽略。机壳自重作用在重心位置；转子的重量以均布载荷的形式分别作用在两个轴承座上，根据其重心与左、右轴承座的位置关系可计算得，施加在左轴承座上的载荷为0.55t，施加在右轴承座上的载荷为0.55t；隔板重量简化为与机壳配合面上的均布载荷；预旋器重量简化为与机壳配合面上的均布载荷。

4.静态载荷结果分析

经上述简化和处理，用Solidworks软件中Simulation有限元插件进行计算，得到机壳在重力作用下的节点应力、节点位移以及单元应变分布结果，分别如图2、图3、图4所示。

根据以上应力、应变、位移云图可知，该机壳的最大应力、最大应变、最大位移及其作用位置，见表2。

生产使用经验证明，机壳必须满足以下3点要求：强度，要足够承受气体介质的压力；刚度，要足以避免在长期使用中产生变形；密封性能，中分面及出风口法兰结合面要可靠，以免输送介质外泄。

如图2所示，机壳整体应力水平较低，基本都处于2MPa以下，锚爪的局部应力处于2MPa～6MPa，锚爪与底座连接处尖角位置应力集中最大为9MPa，但作用面积很小，对机壳整体结构影响不大。结合图4所示，最大应力、应变均集中在锚爪部位，符合实际情况。将分析所得的最大应力数值与机壳材料的屈服极限进行比较计算，得到机壳的最小安全系数为26.1。

如图3所示，机壳位移云图可看出，一段排气接管法兰处有最大位移量为0.0178mm，该处将来联接的管道中配有波纹管可以补偿位移，固满足使用要求。上下機壳水平法兰面位移最大为0.016mm，满足设计要求。

结论

从分析结果可知，离心式压缩机焊接机壳的整体应力处于2MPa以下，且最小安全系数大于26.1，水平面法兰处最大挠度≤0.1mm，在允许范围内，可保证中分面不漏气，所以可以判断在静态情况下，压缩机机壳是可靠的、安全的。

参考文献

[1]刘土学，方先清.透平压缩机的强度与振动[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000（1）：34-36.

[3]刘国良. Solid Works 2006完全图解学习手册-图解COSMOSWORKS[M].北京：电子工业出版社，2006.