基于ADAMS与ANSYS压缩机曲轴系统多体动力学仿真研究

王超，付景顺

（沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870）

1 前言

隔膜压缩机与往复压缩机一样通过曲轴连杆机构，通过曲轴连杆机构将往复运动转化为直线运动。曲轴一端连接着电机，另一端连接着连杆部件、十字头部件、活塞部件等，曲轴是压缩机运动构件的核心动力源。在压缩机运转过程中，曲轴承受着惯性力、往复摩擦力，以及随着曲柄角度变化而不断变化的气体力，因此在设计时需要分析曲轴在各种交变载荷的作用下结构强度是否满足工作要求，以及曲轴在运转状态下的运转规律和危险截面的应力大小。传统应力计算不能详尽的了解曲轴运转状态，需要借助虚拟仿真技术加载曲轴连杆机构运行，验证设计合理性。

2 曲轴系统虚拟样机建模

2.1 建立曲轴连杆机构各零件实体模型

Adams软件不适合建立复杂的实体模型，这里需要借用Solidworks软件完成隔膜压缩机曲轴连杆机构各零件的实体建模。主要的结构组成包括曲轴部件、连杆部件、十字头部件、活塞杆部件、中体部件等。

2.2 曲轴系统 Adams 建模

进入Adams/View窗口，导入机体原始模型（格式为x_t）。

导入Adams后，检查各部件安装位置，然后设置运动副，设置完运动副，加载动力，验证模型合理性。

2.3 活塞压力函数加载

根据隔膜压缩机参数，得到曲柄在旋转过程中不同角度的气体力。如图1所示。

图1 气缸气体力

曲轴转速为495r/min,则曲轴旋转一个周期为1/(495/60)=0.2424s，曲轴的旋转约束的转速函数为（495*6）d*time。

对曲轴连杆结构进行多体运动学分析，只需要将气体力正确加载到活塞表面。

根据气体力变化，以气缸1（垂直水平）为例，编制活塞压力函数并施加在活塞顶部，具体为：

气体压力函数加载到模型上，得到活塞压力曲线，如图2所示。

图2 活塞1、2活塞压力曲线

3 刚柔耦合模型仿真分析

在 ANSYS软件中可实现对曲轴进行柔性化的处理，并同时生成Adams/View软件所需要的模态中性文件（.mnf），然后在Adams/View中将原来的刚性曲轴替换成柔性体曲轴，柔性体曲轴带有曲轴的质量、节点等属性。经过对柔性体曲轴模态分析发现，曲轴前六阶固有频率变化过小，可忽略不计。

图3 曲轴连杆机构柔性化模型

在预载荷模态下，获得曲轴结构最低阶次频率为471Hz.本产品压缩机曲轴转n=495r/min，在运转工况下，转动基率为16.5Hz，可以避免发生共振现象。

4 运动学分析

运动学仿真是为了连杆、活塞位移、速度、加速度之间的关系。

本例分析过程中，活塞杆1和活塞杆2相位差为90°，以竖直方向为活塞杆1，水平方向为活塞杆2。

5 曲轴强度分析

曲轴在工作过程中曲柄销承受着复杂的双作用力状态，根据第四强度理论，采用等效应力来评估曲轴强度。利用Adams仿真计算得到的数据结果，对曲轴危险工况进行强度计算，得到曲轴在此危险工况下的变形及等效应力分布。

由以上计算可以得到，曲轴受到的瞬时最大应力为42.56MPa，最大变形位移量为0.0082mm，集中发生与曲轴主轴颈的圆角位置。曲轴材料为45钢，屈服强度为355MPa远远大于最大等效应力，结构总体上已经满足了实际使用性能要求。

图4 活塞位移、速度

图5 活塞1的加速度变化曲线

图6 连杆1对曲轴的轴颈载荷曲线

图7 连杆2对曲轴的轴颈载荷曲线

6 结语

通过Solidworks对曲轴连杆机构复杂模型进行建模，然后将模型转入到 Adams进行多刚体运动学仿真，将曲轴进行柔性化处理，可以提高仿真精度。通过Adams/View仿真实验，得到曲轴在周期运转下曲柄销受到的载荷变化，将得到的变化载荷利用ANSYS workbench对曲轴进行加载，完成静力学分析，验证了曲轴强度能够满足设计要求。