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某工程压缩机连杆结构拓扑优化设计与研究

谭凯军  
【摘要】:随着智能计算机信息技术与学科交叉融合的快速发展,为了降低经济成本与提高构件结构的材料利用率,计算机辅助设计也越来越多地应用到了建筑工程机械结构设计当中。建筑施工现场的养护室由于长期需要对试件进行养护来检验建筑材料的可靠性,所以在施工中显得尤为重要。在养护室外机上的压缩机绝大多数均为涡旋压缩机,但由于其涡旋式压缩机其结构复杂并不好优化,所以采用可类比的功率较小、满足小范围内极小类别的工程培养试件需求,并应用较成熟的小型连杆式压缩机。小型养护室制冷压缩机是制冷的核心设备,其中曲柄连杆结构在制冷压缩机中起到非常重要的作用,是制冷压缩机的核心部件之一,是保证圆轴与压缩气缸活塞能够协同工作的主要杆件。曲柄连杆在压缩机工作中主要受到往复拉压荷载的作用及其他因素的影响,由于曲柄连杆往复荷载作用的特性,使其较为容易断裂,为保证曲柄连杆能够高效地工作需对连杆进行静力学、模态、疲劳性分析。在分析的基础上对曲柄连杆做出优化改进。本文以某工程制冷压缩机连杆为研究对象,对一般工作状态下,连杆工作中的条件与设计进行简化,通过建模软件建立了结构模型,进行了荷载分析并展开拓扑优化设计,得出优化结构。其主要研究内容与工作如下:(1)介绍了压缩机的内部构件及其构造,根据真实结构材料设置相关参数与施加约束条件,通过建模软件Space Claim建立连杆结构及其重要部件有限元三维模型。(2)导入Workbench平台进行有限元荷载分析,简化分析连杆结构在正常工作状态下的受力情况,为保证其有限元仿真的准确性,对模型网格的划分质量进行了评定。通过静力学分析、模态分析、疲劳性分析可知其在正常工作状态下的荷载受力情况。经过计算,曲柄连杆的荷载集中部位与实际破坏部位基本一致,在正常工作状况下,其设计较为保守,优化空间富足,适合进行优化设计。(3)建立曲柄连杆结构数学模型,通过变密度法(SIMP)拓扑优化方法对连杆模型在初始条件下进行优化设计。得出初始化优化模型,对其展开分析,通过分析可知其最危险与大变形部位。再将其模型进行基于经验的二次优化后处理,第二次分析表明采用二次后处理的优化设计方法可以有效地提高曲柄连杆的使用效率与使用寿命。经过最终的拓扑优化后的连杆结构其质量较之前降低了30.66%,最大应力降低了20.14%,最大位移略微有所提高,但效果并不明显可以基本忽略不计,其疲劳分析与模态分析效果均为良好,为压缩机连杆工作模拟研究提供参考,同时也为相关领域的机械优化设计提供了一条成本较低效果良好的设计方法与思路。


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