往复式压缩机的可靠性分析与数字化研究方法

论文摘要

大型机械产品广泛应用于国民经济的各个部门,它们的可靠性、经济性和安全性是一个国家机械工业发展状况和水平的标志。目前,国内安全生产的形势依然严峻。由于大型设备发生故障,而导致重大经济损失,甚至造成人身伤亡的严重事故,不胜枚举。同时,制造业市场的竞争愈演愈烈,产品的设计、试验、生产及投入市场的周期是相关企业生存和发展的关键。如何迅速、快捷地设计出经济、可靠的机械类产品,始终是工程科技人员全力研究的重点内容。往复式压缩机具有压力范围广、热效率高、适应性强等特点,是化工合成和石油开采等领域必不可少的关键设备。由于其结构庞大、设计周期长、制造费用高昂等原因,导致目前产品在可靠性、经济性和灵活性等方面存在的问题日益突出。而且,此类机械产品大都是小批量,甚至单件生产,难以完成大样本的试验研究;同时,用户的需求多变,需要能够快速地响应市场。因此,对此类机械产品开展可靠性分析、敏捷化设计和虚拟可靠性试验研究的工作具有现实意义。本文以大型往复式压缩机产品为研究对象,将可靠性理论与计算机技术相融合,提出了机械数字化研究的理念,分别从分析、设计和仿真三个方面展开研究;同时,在分析研究的基础上,对压缩机的局部结构进行了改进,通过理论计算和ANSYS仿真分析两种手段,验证了改进后结构的合理性和有效性。论文具体的研究工作如下:（1）开发了往复式压缩机设计计算的程序平台。该平台基于VC++编程语言,结合Matlab软件,将原本复杂繁琐的热力学与动力学计算变得简单、易行,并且能够迅速、准确地获得各项设计数据和各种载荷曲线,为关键零部件的强度校核和设计系统、仿真系统的建立提供基础。（2）开发了关键件可靠性灵敏度分析的程序平台。以经典的强度校核理论为基础,考虑到各种设计参数（尺寸公差、材料属性和加工工艺等）的随机性,建立关键零部件可靠性灵敏度分析的数学模型;以VC++6.0为开发环境,实现分析过程的可视化和程序化。该平台能够以概率的形式定量给出压缩机关键件的可靠性评价指标,给出各种设计参数对可靠度的影响程度,为合理地选择和控制设计参数提供指导。（3）开发了往复式压缩机的参数化设计系统。该系统基于Pro/E软件和Pro/TOOLKIT二次开发工具包,全面接收设计计算平台和可靠性分析平台中确定的设计参数,快速构造和修改零件、产品模型,快速生成符合要求的零件和产品工程图。因此,能够极大地提高设计效率,避免人为设计过程中信息的遗漏。同时,本文将Pro/E中的LAYOUT（布局）功能与其二次开发技术相结合,成功解决了装配体模型的参数化设计问题,从真正意义上实现了机械产品设计的智能化和敏捷化。（4）开发了往复式压缩机的虚拟可靠性试验系统。利用设计好的三维零件和产品模型,基于VC++编程技术,采用ANSYS/LS-DYNA软件结合APDL二次开发语言,搭建虚拟试验的系统平台。考虑到制造、装配的误差和材料属性的随机性对机械系统寿命可靠性的影响,对压缩机的传动机构进行动态的虚拟仿真,获得关键零部件的虚拟试验数据;分析数据的分布类型,计算关键件的可靠度,从而考核整个传动系统的可靠性。此外,为解决多因素耦合作用结构的强度分析问题,对压缩机的活塞杆进行虚拟试验研究;基于响应面方法分析虚拟试验数据,建立极限状态方程,计算活塞杆的疲劳强度可靠度及各影响因素的灵敏度,为现实中的设计工作提供指导。（5）对往复式压缩机活塞杆的螺纹连接结构提出了改进措施。基于上述分析研究的结果,针对目前活塞杆疲劳断裂事故频发的事实,在螺纹连接理论分析的基础上,提出一种结构改进的方案。并且,经过理论计算和ANSYS仿真分析,证明改进后的结构方案能够大大提高活塞杆的疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 压缩机产品概述
• 1.1.2 工业生产中的应用
• 1.1.3 面临的严峻形势
• 1.1.4 可靠性分析与数字化研究的意义
• 1.2 相关领域的研究现状
• 1.2.1 压缩机及其典型零部件
• 1.2.2 机械可靠性理论
• 1.2.3 参数化设计技术
• 1.2.4 虚拟试验技术
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 往复式压缩机设计计算程序平台的开发
• 2.1 概述
• 2.2 设计计算的基本理论与方法
• 2.2.1 热力学计算
• 2.2.2 动力学计算
• 2.2.3 综合活塞力的计算
• 2.3 程序平台的关键技术
• 2.3.1 VC窗口界面的设计技术
• 2.3.2 Matlab的M文件
• 2.3.3 VC调用Matlab引擎
• 2.3.4 VC与Matlab的M文件之间的数据传递
• 2.4 设计计算的程序平台
• 2.4.1 程序的设计流程
• 2.4.2 程序的界面操作
• 2.4.3 算例
• 2.5 本章小结
• 第3章 多体机械产品的可靠性分析与参数化设计方法
• 3.1 概述
• 3.2 往复式压缩机的结构
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 传动机构
• 3.2.3 气缸活塞组件
• 3.2.4 机体组件
• 3.3 可靠性设计理论
• 3.3.1 应力-强度模型
• 3.3.2 极限状态方程
• 3.3.3 可靠性灵敏度分析
• 3.4 参数化设计技术
• 3.4.1 Pro/E的二次开发
• 3.4.2 VC环境下开发Pro/TOOLKIT应用程序
• 3.4.3 菜单的设计技术及应用
• 3.4.4 基于MFC的可视化对话框技术
• 3.5 多体机械产品的参数化设计方法
• 3.5.1 参数化技术的主要问题
• 3.5.2 Pro/E的LAYOUT文件
• 3.5.3 多体装配模型的参数控制方法
• 3.5.4 工程图的参数控制方法
• 3.6 关键件的可靠性分析与参数化设计
• 3.6.1 曲轴
• 3.6.2 连杆
• 3.6.3 活塞杆
• 3.6.4 气缸
• 3.7 往复式压缩机的参数化设计系统
• 3.7.1 系统的程序流程
• 3.7.2 系统的操作界面
• 3.7.3 装配体模型的驱动
• 3.7.4 工程图的生成
• 3.8 本章小结
• 第4章 往复式压缩机的虚拟可靠性试验方法
• 4.1 概述
• 4.2 有限元仿真的基本理论与方法
• 4.2.1 ANSYS对非线性接触问题的分析方法
• 4.2.2 LS-DYNA的显式动力学分析方法
• 4.2.3 ANSYS的二次开发技术
• 4.3 可靠性试验的基本理论与方法
• 4.3.1 随机数生成的理论算法
• 4.3.2 分布类型的假设检验
• 4.3.3 响应面方法
• 4.4 虚拟试验的关键技术
• 4.4.1 随机数子程序的编译
• 4.4.2 Pro/E与ANSYS/LS-DYNA的模型转换
• 4.4.3 对话框与宏文件的数据传递
• 4.5 滑动轴承的虚拟仿真方法
• 4.5.1 基于雷诺方程的油膜当量刚度
• 4.5.2 动压油膜的有限元模型
• 4.5.3 滑动轴承的失效准则
• 4.5.4 算例
• 4.6 传动机构的虚拟可靠性试验
• 4.6.1 问题描述
• 4.6.2 虚拟样机的随机抽样
• 4.6.3 样机模型的前处理
• 4.6.4 传动机构的虚拟可靠性试验系统
• 4.6.5 试验数据的统计
• 4.6.6 算例
• 4.7 多因素耦合作用结构的虚拟可靠性试验
• 4.7.1 活塞杆多因素耦合问题的描述
• 4.7.2 活塞杆螺纹连接结构的有限元模型
• 4.7.3 虚拟分析的前处理
• 4.7.4 活塞杆的虚拟可靠性试验系统
• 4.7.5 算例
• 4.8 本章小结
• 第5章 活塞杆螺纹连接结构的改进
• 5.1 概述
• 5.2 传统结构的力学分析
• 5.2.1 传统的螺纹连接结构
• 5.2.2 螺纹上的作用力
• 5.2.3 螺纹上的应力幅
• 5.2.4 螺纹根部的附加弯矩
• 5.3 改进结构的力学分析
• 5.3.1 改进后的螺纹连接结构
• 5.3.2 改进后螺纹上的作用力
• 5.3.3 改进后螺纹上的应力幅
• 5.3.4 改进后螺纹根部的附加弯矩
• 5.4 结构改进前后的比较
• 5.4.1 应力幅
• 5.4.2 附加弯矩
• 5.4.3 安全系数
• 5.5 改进后螺纹结构的虚拟可靠性试验
• 5.5.1 建立虚拟试验平台
• 5.5.2 建立极限状态函数
• 5.5.3 虚拟试验的后处理
• 5.5.4 结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 往复式压缩机数字化研究系统的开发
• 6.1 概述
• 6.2 系统的概念和结构组成
• 6.3 系统的功能模块
• 6.3.1 主程序界面
• 6.3.2 数字化分析
• 6.3.3 参数化设计
• 6.3.4 虚拟试验
• 6.4 算例总结
• 6.4.1 可靠性分析结果
• 6.4.2 虚拟可靠性试验结果
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间获得荣誉与奖励
• 附录B 攻读博士期间发表与录用的学术论文
• 附录C 作者简介