膨胀机蜗壳结构改进与优化

2014-11-25侯秀丽邱百军孟继纲沈阳鼓风机集团股份有限公司

风机技术 2014年6期

侯秀丽邱百军孟继纲/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

在现代机械设计中，各种新的结构形式不断出现，使新结构和新材料的可设计性增强，同时计算机技术在结构设计中的普遍应用，使结构修改及优化设计有了很大的发展。在一定激励环境下，结构尺寸、形状、材料与拓扑构型控制了结构强度与振动响应水平。因此，在给定静力、动力学的约束下，进行结构优化设计，“主动”地确定最优的静、动力特性已成为近年机械设计研究的重要方面[1]。

蜗壳是膨胀机机组定子部件的重要组成部分。近些年来，蜗壳的性能研究[2-4]取得了很大进展，蜗壳的结构形式以及应力研究也取得了很大的进步[5-6]。蜗壳的结构形式高端化、大型化，以达到更高的生产要求，因此要对蜗壳在运行工况下和打压试验工况下进行结构强度以及刚度分析，以保证蜗壳满足的相应强度、刚度方面的要求[7]。

本文以某一级膨胀机蜗壳为例，利用ANSYS 有限元分析软件，通过详细的力学分析和结构优化，保证蜗壳在运行工况下和打压试验工况下具有足够的强度储备以及抵抗变形的能力，保证机组良好的安全性。

1 计算模型及材料特性

图1 为膨胀机齿箱及蜗壳的实体结构示意图，蜗壳通过法兰螺栓连接把合在齿箱上，叶轮位于蜗壳的内部，与齿箱中的转子部件连接在一起。PTA机组在运行工况下，蜗壳需要承载很大的压力载荷。

图1 膨胀机机组结构示意图

蜗壳的内径D=1 104mm，蜗壳上有4 个支撑的加强筋，利用Solidworks 三维软件建立蜗壳实体模型[8]。将实体模型导入ANSYS 有限元分析软件中，采用Solid186 六面体划分网格，有限元网格见图2，材料属性见表1。

图2 蜗壳有限元模型图

表1 材料特性表

2 初始结构运行工况分析计算

2.1 约束与载荷[9]

蜗壳一端的法兰与齿轮箱用螺栓连接，另一端连接风筒。在压缩机运行时，蜗壳内的压力为1MPa，约束连接处的周向与轴向位移，固定蜗壳一端，进行应力与变形分析。

2.2 结果分析

经ANSYS分析，蜗壳的最大Von Mises的最大应力为207MPa，在蜗壳的加强筋处，见图3。蜗壳的最大轴向相对变形为3.8mm，见图4。

图3 初始结构蜗壳Von Mises应力分布云图

图4 初始结构蜗壳轴向变形云图

从初始结构分析结果可知蜗壳的最大Von Mises 应力已超过屈服极限，且最大轴向相对变形过大，因此将蜗壳结构进行结构改进与优化。

3 蜗壳结构改进与优化分析

3.1 结构优化设计数学模型[10]

3.1.1 目标函数

优化设计的目的要设计出最优的结构，因此要有一个评价设计方案优劣的函数，称为目标函数。在工程设计中，多以重量最低，可靠性最大，应力集中系数最小，最大应力最小等作为目标函数，也有多个目标函数的情形。

3.1.2 设计变量

在结构设计方案中，设计参数是设计中的自变量，通常由设计者主动选择，在优化设计中，往往将设计参数中的一部分事先给定，如结构的坐标给定，材料给定，这称为确定参数。调整另一部分设计参数，这些可调整的设计参数称设计变量。

3.1.3 约束条件

要使设计的工程结构能够满足设计者所要求的各项功能，对结构的应力、位移、自振频率、临界载荷等进行限制。把对设计变量的限制称为约束条件。

3.2 蜗壳优化数学模型

本文先用Solidworks三维软件建出蜗壳基本模型，然后利用ANSYS Workbench 有限元分析软件对蜗壳进行应力变形分析。根据计算结果，进行结构优化分析。选定合适的设计变量和目标函数，采用Design Exploration 模块的DOE（实验数据法）优化技术进行优化设计[11-12]。最后，根据优化设计结果确定最佳参数，并将相应尺寸应用到上蜗壳模型，从而快速得到优化后的三维蜗壳模型。这是一种应用极为广泛的优化方法，可有效预测极值出现的位置，但基于响应面优化得到的结果会存在一定的误差[13]，须对优化后的结构再次仿真分析，以得到准确的响应。

从初始结构的分析结果中可以看出，在蜗壳的中间位置轴向变形过大，因此考虑首先要进行结构改进，在蜗壳中间的最大变形处加支撑板。且直径比较大的蜗壳，加中间支撑板有利于平整气流，减小气体损失。支撑板厚度设计为30mm，支撑板与竖直方向有一倾斜角度，设定倾斜角度为设计变量，设计变量的上下限为10°与80°。目标函数为最大应力以及最大最小位移。优化目标是希望应力和位移为最小值。

3.3 优化结果及分析

根据输入的设计变量，设置8 个设计点，为每10°为一个设计值，进行优化分析。

从优化结果中可以得出目标函数对设计变量的响应情况。图5 为最大应力对支撑板倾斜角度的响应图。从图5我们可以看出，在倾斜角为20°时应力为最小，同时从图6 中也可以看出最大轴向变形随倾角变化不大，都远远小于初始结构未加支撑板的变形，因此最终确定支撑板结构厚度为30mm，且一端与竖直方向呈20°角，见图7。