CFRP螺杆泵转子结构特性研究.pdf

:./.螺杆泵转子结构特性研究王智博李 达(浙江东方职业技术学院 数字工程学院 浙江 温州)摘 要:基于增材制造和复合材料的快速发展以 转子为研究对象借助有限元仿真分析软件对其结构进行了模态分析及静力学分析并探究了 转子的模态变形分布规律、静力学受力变形及转子最大应力 仿真结果表明:最大模态变形发生在第四、第五阶最大变形、应力整体最大变形及齿面最大变形发生在转子轴部和齿面进气口处仿真数据为转子的装配和理论研究提供参考关键词:螺杆转子碳纤维复合材料仿真分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言螺杆真空泵因其结构简单紧凑、运动部件无相对摩擦、抽气压力范围宽以及可获得清洁的真空环境等显著优点成为了化工制药、半导体、微电子及精密加工等领域不可或缺的核心设备碳纤维增强复合材料()凭借其不可比拟的密度、比强度、比模量等全方位力学性能不仅能够实现产品轻量化而且在性能方面甚至超越金属材料因此被广泛应用在航空航天、汽车、建材等领域目前诸多学者对转子快速成形及 轻量化应用进行了研究其中姜立业等介绍了几种常见碳纤维材料的型号及其成型工艺并结合轻量化设计主流特点分析了碳纤维材料的应用前景 孙鸿等使用 对 标准 平台进行总成优化设计实现了 低能耗、轻量化以及低成本制造的目的李志锋等通过逆向工程技术 获取了转子的三维实体模型 并利用快速成形技术 实现了转子的快速成形加工研究结果可为新型压缩机螺杆转子的设计与制造提供参考 支明宇等采用正交优化利用增材制造仿真软件对转子进行 成型仿真制造验证了增材制造应用于转子加工的可行性 笔者重点利用有限元仿真分析对 螺杆转子结构特性进行研究得出模态频率及静应力变形规律为 转子轻量化研究提供一定理论依据及研究基础 数学模型.约束模态分析理论基础文中对内支撑转子进行有限元模态分析将其假设为理想线性系统采用 原理方程进行分析:()()式中:为结构质量矩阵 为结构阻尼矩阵 为结构刚度系数矩阵 为结构加速度矢量 为结构速度矢量 为结构位移矢量()为结构力矢量在理想线性系统中、()取值为 故其自由阵结构方程为:()机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:基金项目:浙江省教育厅一般科研项目:基于 打印增强纤维螺杆转子轻量化设计及性能研究(编号:)作者简介:王智博()男山东临沂人助教硕士研究生研究方向:机械装备的设计与制造上式方程特征解为:()()()()式中:为 阶结构模态的特征矢量为自由模态频率 为时间将特征解打入自由阵方程得:()()由于 时表示结构没有振动而这种情况不存在所以得到上式成立的条件为:()().力学方程动力学方程式是进行结构动力分析的基础基于经典力学 法则建立转子运动方程:()()式中:为质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩阵 为加速度矢量为速度矢量 为位移矢量()为力矢量 模型建立.几何模型建立螺杆转子型线由多段不同曲线组成复杂且不规则在、和 等专业建模软件中建模比 中建模较为简单方便 且已知某一型号螺杆转子端面型线的离散几何点因此选用 建模更为方便 文中主要以某已知型号阴、阳螺杆转子为对象进行建模其主要参数如表 所列表 转子主要参数主要参数阳转子阴转子齿数外圆直径/.导程/中心距/轴长/旋向右左将阴、阳螺杆转子某一段端面型线离散数据点文件导入建模软件生成单段曲线 通过几何特征阵列生成完整端面型线然后根据阴、阳螺杆转子的设计参数要求插入各自对应的螺旋线生成阴、阳转子的几何模型根据阴、阳螺杆转子啮合条件进行装配阴、阳螺杆转子工作运转过程中并不是直接接触而图 螺杆转子几何建模是留有一定间隙完成装配后需进行干涉检查确保其无干涉面能够工作运转正常装配图如图 所示.网络划分及边界条件设置以 螺杆转子为研究对象通过 建立转子几何模型将模型导入 有限元分析软件中计算求解 转子的前六阶模态及不同转速情况下 转子与 转子的变形及应力情况 转子材料参数如表 所列表 转子材料参数性能参数参数值参数值材料抗拉强度/弹性模量/泊松比.热膨胀系数()/.密度/()对几何模型进行有效地网格划分是 仿真分析的前提而网格尺寸及等级的大小直接对仿真结果造成影响 对转子齿面的网格划分类型是实体四面体单元进行加密划分并对转子轴采用自动划分网格 如图 所示划分后的网格节点数为 网格单元数为 图 网格划分 根据螺杆压缩机的工作特性以及螺杆转子的结构与传动特点在施加约束时要保证进气端转子与壳体之间保留一定间隙使得转子与电机相连且有伸缩性而排气端转子与壳体之间要保持距离恒定不变以减少摩擦与气体泄露提高压缩机的工作能效 因此在进气端设置保留 向位移自由度约束沿、方向的位移自由度及沿、方向的旋转自由度在排气端设置约束、方向的位移自由度及绕、方向的旋转自由度同时在两端轴承安装处设置保留绕 方向的旋转自由度约束绕、方向的旋转自由度及、方向位移自由度 模态及静力学仿真分析.模态仿真分析由约束模态仿真得到多阶模态的频率以及最大模态变形分布如表 所列和图 所示 模态仿真中选取具有参考价值的前六阶进行分析最大频率为 最小频率为 .第三阶模态时发生最小变形最小变形量为.第四阶模态时发生最大变形最大变形量在为.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用一阶模态沿 方向发生变形最大变形发生在阴转子中间齿面位置处阳转子变形由齿面向内递减二阶模态沿 方向发生变形最大变形发生在阳转子中间齿面位置阴转子变形由中间位置向两侧均匀递减三阶模态绕 轴变形最大变形分布在阴阳转子中间位置均匀向两侧递减四阶模态变形主要集中在轴部向 方向发生弯曲变形五阶模态变形主要集中在轴部向 方向发生弯曲变形六阶模态变形沿 方向且由阴转子向阳转子减少表 模态频率及最大变形模态阶数频率/最大变形量/一阶模态.二阶模态.三阶模态.四阶模态.五阶模态.六阶模态.图 转子模态变形云图.静力学变形及应力结果分析图 为转速 /时转子变形云图由图可知在外部施加转速为 /时碳纤维材料螺杆转子最大变形位置在施加转矩的轴部最大变形量为.螺杆转子主要工作齿面最大变形量在进气口的阳转子齿面位置最大变形量为.阴、阳转子最大变形也发生在进气口位置最大变形量分别为.、.图 为 转子与 转子不同转速最大变形曲线图由图可以看出转子的最大变形随着转速的升高呈现减小的趋势这是由于转子的转速与扭矩呈反比转子转速升高扭矩降低受力减小 不同材料的转子最大变形依然位于集中施加转矩的轴部和进气口处的阴阳转子齿面上而且当转速相同时 转子的整体和转子工作面的最大变形均略大于 转子的最大变形图 /时转子变形云图图 转子与 转子不同转速最大变形曲线图 图 为 /时 转子应力云图图 /时 转子应力云图 由图 可知在外部施加转速为 /时 转子最大应力位置在阳转子施加转矩的轴部最大应力为.转子主要工作齿面最大应力在进气口的阳转子齿面位置最大应力为机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验.阴、阳转子最大应力也发生在进气口位置最大变形量分别为.、.图 为 转子与 转子不同转速最大应力曲线图图 转子与 转子不同转速最大应力曲线图 由图 可以看出转子的最大应力随着转速的升高呈现减小的趋势这是由于转子的转速与扭矩成反比转子转速升高扭矩降低从而应力减小 不同材料的转子最大应力依然集中在施加转矩的轴部和进气口处的阴阳转子齿面上而且当转速相同时转子的整体和转子工作面的最大应力均略大于 转子的最大应力 结 论文章利用有限元仿真分析软件对碳纤维复合材料的转子进行了模态分析以及静力学仿真分析得到以下结论()转子模态在第四阶和第五阶变形最大主要发生在施加扭矩的的转子轴上且发生弯曲变形第三阶模态最大变形在转子中间位置发生弯曲变形第一阶、第二阶以及第六阶模态最大变形均发生在薄壁齿面位置()转子整体最大变形发生在施加转速的转子轴上主要工作齿面转子上的最大变形远小于转子轴部变形而且转子主要工作齿面最大变形均发生在靠近施加转速的进气口端 转子整体最大变形和齿面变形均大于 转子变形()转子最大应力主要集中在转子轴上和进气口端且转子最大应力随转速增加而减少 转子和 转子整体最大应力和齿面转子最大应力相差较小 因此在使用时应注意进口端冷却避免转子变形卡住从而影响设备正常工作参考文献:姜立业李 娜陈鹏等.碳纤维复合材料在轻量化的应用和前景.塑料工业():.李志峰何亚银王军利等.基于逆向工程的压缩机螺杆转子快速成形加工.陕西理工大学学报(自然科学版)():.支明宇李志峰万旭东等.基于激光选区熔化成型螺杆转子工艺仿真分析.陕西理工大学学报(自然科学版)():.崔 博冯国胜苗贵银等.车用永磁同步电机转子静力学和模态分析.电工技术():.周 涛向进展曾文远等.基于 的双螺杆膨胀机转子静力学分析.机械研究与应用():.(上接第 页)./.():.():.刘 超宁方飞.黏性彻体力建模方法及其应用.航空动力学报():.刘永泉.某发动机风扇进气畸变数值模拟.航空动力学报():.安玉戈.压气机进气畸变数值模拟技术研究.航空动力学报():.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用