空气压缩机关键零部件尺寸对疲劳寿命的影响分析

摘要

当前国外空分设备装置的特点是:大型化、高可靠性、低耗能等。与国外空分设备发展水平相比，我国空分设备发展相对起步晚、制造规模小、产品耗能高等。目前迫切需要对大型空分设备的工艺流程进行系统的分析，尤其是对空分设备关键零部件的工况、所受载荷及其影响因素进行深入的研究，从而进一步建立空分设备关键零部件疲劳寿命的预测方法。本论文以某空分压缩机为对象，研究了关键零部件尺寸对其疲劳寿命的影响，完成了以下研究工作。
　　(1)根据压缩机首级叶轮的静态结构分析结果，找出叶轮在工作中易发生屈服破坏的薄弱环节。通过对叶轮自由态的模态分析、以旋转应力为预应力状态下叶轮模态分析、旋转应力和气动力耦合作用下的叶轮模态分析结果对比，探索了气动力对叶轮固有频率的影响规律，进而分析了叶轮模态频率及模态形式随叶轮尺寸的变化规律，结果表明:随旋转离心力的增加，叶轮模态频率稍有增加;随气动力的增加，叶轮模态频率略有减小。随着叶轮尺寸的增大，叶轮固有频率有减小趋势，且减小的幅度随尺寸增加而降低。叶轮的最大变形量、等效应力应变随叶轮整体尺寸的增大而增加。
　　(2)基于ANSYS软件分析环境，利用直接瞬态分析法和单向流固耦合法，研究了压缩机叶轮载荷的时间历程。通过两种方法的计算结果和程序运行时间进行了对比分析，结果表明:两种方法所获得的计算结果比较接近，但直接瞬态分析法比单向流固耦合法所需计算时间大大降低，因此，可利用直接瞬态分析法代替单向流固耦合分析法研究叶轮的尺寸效应。
　　(3)利用直接瞬态分析法，计算了不同尺寸叶轮的载荷时间历程。分别利用Crossland模型和Matake模型，定义了叶轮的等效疲劳名义应力。利用基于MATLAB语言的雨流计数法提取了不同尺寸叶轮的两种疲劳名义应力，编制了叶轮载荷谱。利用疲劳累计损伤理论，建立了叶轮疲劳寿命预测模型。分别利用两种等效名义应力对不同尺寸叶轮进行寿命预测，结果表明:在相同工况下，随着构件尺寸的增大，叶轮的疲劳寿命逐渐在减小，在叶轮尺寸增大到一定尺寸，构件疲劳寿命会趋于稳定。两种等效名义应力对不同尺寸叶轮进行寿命预测的结果比较接近，但基于Crossland模型比Matake模型提取的等效名义应力，得到的寿命预测结果略大。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国内外空分设备发展回顾与展望

1．2．2 离心压缩机发展历史及现状

1．3 空气动力学的发展概况

1．3．1 国外空气动力学的发展

1．3．2 国内空气动力学发展

1．3．3 非定常空气动力学

1．4 本文研究的主要内容

第2章 计算流体动力学理论

2．1 计算流体力学

2．1．1 流体控制方程

2．1．2 湍流模式理论

2．2 CFX软件的介绍

2．3 研究对象

2．3．1 压缩机机组结构

2．3．2 压缩机机组运行工况

第3章 关键零部件的有限元分析

3．1 引言

3．2 静强度分析及监测点的确定

3．2．1 有限元模型建立

3．2．2 叶轮静强度分析

3．2．3 结果分析以及监测点的确定

3．3 叶轮有限元分析

3．3．1 离心压缩机叶轮的静态分析

3．3．2 叶轮的静态结构分析结果

3．3．3 叶轮的模态响应分析结果

3．3．4 叶轮的谐响应分析

3．4 不同尺寸的叶轮动力学分析

3．4．1 不同尺寸叶轮的静力分析

3．4．2 不同尺寸叶轮的模态分析

3．4．3 不同尺寸叶轮的谐响应分析

3．5 本章小结

第4章 叶轮的疲劳寿命预测及尺寸效应分析

4．1 引言

4．2 疲劳寿命预测方法

4．2．1 高周疲劳寿命预测模型

4．2．2 疲劳累计损伤理论

4．3 关键零部件的载荷获取

4．3．1 叶轮直接瞬态分析

4．3．2 单向流固耦合分析

4．3．3 双向流固耦合分析

4．4 基于MATLAB的雨流计数法

4．5 叶轮疲劳寿命预测方法的确定

4．5．1 叶轮材料的FV520B的S-N曲线

4．5．2 气动力对叶轮寿命的影响

4．6 叶轮的寿命估算

4．6．1 不同叶轮的疲劳载荷谱的编制

4．6．2 不同叶轮寿命估算

4．7 零件尺寸系数的影响因素分析

4．7．1 材料缺陷分布

4．7．2 应力梯度

4．8 本章小结

第5章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢