大型压缩机动力学分析与噪声预测

论文摘要

压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械。随着科学技术的发展，近年来，特别是石油化工的发展，压力能的应用日益广泛，使得压缩机在国民经济的各个部门成为必不可少的关键设备之一。随着现代设计技术水平的不断提高，压缩机的性能指标不断得到强化，研究如何降低压缩机的噪声和减少振动成为了重要的课题。鉴于此，本文在压缩机设计领域首次对大型压缩机进行动力学分析与噪声预测，重点围绕压缩机的动力学特性、结构动态特性和结构声辐射特性等方面的问题进行了系统深入的研究，旨在建立一套往复压缩机动力学分析与噪声预测的理论模型和分析方法，为压缩机的低噪声设计提供理论依据。首先以有限元动态特性分析为基本手段，对K5206NM型压缩机的主要承载部件曲轴和机体进行了有限元模态分析，获得了该机曲轴和机体的固有频率和振型等模态特性参数，为曲轴运动件动力学分析和机体的强迫振动分析奠定了基础。在分析K5206NM压缩机曲轴系统拓扑构型的基础上，运用多体动力学理论和有限元方法，分别建立了曲轴系统的多刚体模型和考虑曲轴柔性作用的多柔体模型。通过对两种模型的仿真对比分析，分别获得活塞、连杆及曲轴运动负荷，可以发现曲柄连杆机构中刚性部件之间以及连杆和曲柄销之间的相互作用关系用两种模型都可以得出比较准确的分析结果；而曲轴和机体的主轴承之间的相互作用关系只有柔体动力学模型能给出合理且相对准确的分析计算结果。另外，柔体动力学模型可以计算出曲轴在压缩机整个工作循环内的力边界条件和位移边界条件，结合有限元方法，曲轴的强迫振动行为可以得到分析。通过压缩机曲轴运动件系统多体动力学分析，计算了机体承受的气缸气体压力、活塞导向轴承载荷和主轴承载荷等，详细分析了机体在上述多种载荷下的动力学响应问题，并对其中的力、位移边界条件和结构阻尼等影响因素进行了分析探讨。通过机体动态响应分析，不仅可以掌握机体的位移与应力分布情况，而且还获得了机体各个节点在运行过程中的位移、速度、加速度时间历程，为曲轴与机体的结构设计提供理论依据。同时，通过动态响应分析所得的机体表面振动位移速度与部分测点实测数据吻合较好。以压缩机机体表面振动速度的均方值为因子，依据声学原理计算了机体的表面辐射声功率，与实测结果相符。基于结构声辐射理论，建立了机体声边界元模型，将有限元法和边界元法有机地结合起来，充分发挥其各自的优势，对机体辐射声场进行模拟计算分析，获得机体场点声压、声强、辐射声功率以及辐射效率等声辐射特性参数，为机体的结构声学优化奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究状况与发展趋势
• 1.2.1 压缩机研究现状与发展趋势
• 1.2.1.1 国外压缩机发展状况
• 1.2.1.2 国内压缩机发展状况
• 1.2.1.3 往复压缩机新进展
• 1.2.2 曲轴系多体系统动力学研究概况
• 1.2.2.1 多体系统动力学研究概况
• 1.2.2.2 多体系统动力学的研究方法
• 1.2.2.3 曲轴系统动力学研究现状
• 1.2.3 结构声辐射的国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.3.1 结构声辐射问题与数值方法
• 1.2.3.2 结构声辐射的边界元法研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及创新点
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 本文创新点
• 2 往复压缩机的工作原理和力学分析
• 2.1 往复活塞式压缩机的结构
• 2.2 往复活塞式压缩机的热力学原理
• 2.2.1 压缩过程与膨胀过程
• 2.2.2 理想循环与实际循环
• 2.3 往复活塞式压缩机的动力学分析
• 2.3.1 曲柄连杆机构的运动关系
• 2.3.2 曲柄连杆机构的受力分析
• 2.3.3 K5206NM 压缩机曲柄连杆机构对机体的作用力
• 2.3.4 飞轮矩的确定
• 2.3.5 惯性力的平衡
• 2.4 本章小结
• 3 K5206NM 压缩机曲轴与机体模态分析
• 3.1 概述
• 3.2 模态分析理论
• 3.3 K5206NM 压缩机曲轴与机体模态分析
• 3.3.1 压缩机曲轴的模态分析
• 3.3.2 压缩机机体的模态分析
• 3.4 本章小结
• 4 压缩机曲轴系多体动力学仿真研究
• 4.1 概述
• 4.2 压缩机曲轴系多刚体动力学仿真研究
• 4.2.1 K5206NM 曲轴系多刚体动力学建模
• 4.2.1.1 曲轴系统的拓扑构型
• 4.2.1.2 主轴承油膜模型
• 4.2.1.3 多刚体动力学建模
• 4.2.2 多刚体动力学方程求解
• 4.2.3 多刚体模型求解
• 4.2.3.1 初始条件
• 4.2.3.2 曲轴系多刚体动力学仿真分析
• 4.3 压缩机曲轴系多柔体动力学仿真研究
• 4.3.1 柔体动力学理论
• 4.3.1.1 模态迭加
• 4.3.1.2 部件模态合成
• 4.3.1.3 部件模态的正交化
• 4.3.1.4 柔性曲轴的模态中性文件
• 4.3.1.5 柔性坐标运动学
• 4.3.1.6 柔性体的运动方程
• 4.3.2 K5206NM 曲轴系多柔体动力学建模
• 4.3.3 曲轴系多柔体动力学分析
• 4.4 柔性体模型和多刚体模型仿真数据对比分析
• 4.5 本章小结
• 5 压缩机曲轴动力学响应分析
• 5.1 概述
• 5.2 ADAMS 与 ANSYS 仿真协作
• 5.3 曲轴动态响应计算分析
• 5.4 本章小结
• 6 压缩机机体载荷多体动力学计算
• 6.1 概述
• 6.2 压缩机机体激励力计算
• 6.2.1 气缸气体压力计算
• 6.2.2 活塞导向轴承载荷计算
• 6.2.3 主轴承载荷计算与分析
• 6.3 本章小结
• 7 压缩机机体动态响应分析
• 7.1 概述
• 7.2 结构动力响应分析理论
• 7.2.1 直接积分法
• 7.2.2 振型叠加法
• 7.3 压缩机机体动态响应分析
• 7.3.1 机体阻尼分析
• 7.3.2 机体边界条件确定
• 7.3.2.1 位移边界条件确定
• 7.3.2.2 力边界条件确定
• 7.3.3 机体动态响应计算分析
• 7.3.4 结果分析及讨论
• 7.3.5 机体振动测点计算值与测量值比较
• 7.3.6 误差分析
• 7.4 本章小结
• 8 压缩机机体噪声预测与声辐射研究
• 8.1 概述
• 8.2 压缩机结构表面辐射噪声产生机理分析
• 8.3 用有限元动态结果来预测机体表面辐射噪声
• 8.3.1 机体表面辐射声功率推导
• 8.3.2 机体辐射声功率计算与分析
• 8.4 用有限元法/边界元法来进行机体声辐射研究
• 8.4.1 边界元理论
• 8.4.2 K5206NM 机体辐射声场模拟
• 8.4.2.1 机体边界元模型建立
• 8.4.2.2 机体辐射声场计算分析
• 8.5 机体表面辐射噪声的控制
• 8.6 本章小结
• 9 全文工作总结与展望
• 9.1 概述
• 9.2 本文的主要工作和贡献
• 9.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文