PDS在涡旋压缩机壳体强度可靠性设计中的应用.pdf

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1、774化工机械2015年PDS在涡旋压缩机壳体强度可靠性设计中的应用+周到料张秀平吴俊峰贾甲(合肥通用机械研究院)攮要在某型号涡旋压缩机壳体设计过程中，为确保承压壳体的安全性，参考常规压力容器设计方法计算了壳体结构参数，并采用确定性有限元技术对壳体强度进行校核。基于壳体结构参数的不确定性，将有限元技术和概率设计方法(PDs)相结合对涡旋压缩机壳体进行可靠性分析，得到结构的可靠度和概率灵敏度，实现对壳体结构的可靠性评估。计算结果表明：影响壳体可靠性的主要因素为材料屈服极限、工作压力、封头壁厚、封头底部半径和封头顶部半径，且可靠性设计方法比常规设计方法具有更好

2、的经济性，以上结论为涡旋压缩机壳体的进一步优化设计提供了科学依据。关键词涡旋压缩机PDs可靠性灵敏度壳体中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254_6094(2015)06旬774JD4机械强度可靠性设计⋯就是确定应力与零件强度的分布规律，控制构件失效概率，以满足设计要求。从统计数学的角度来说，所有的设计都存在失效概率，即可靠度小于l。可靠性设计方法能够将设计结果的失效概率控制在一定范围内，而常规设计的安全系数法中构件的可靠度是不明确的，因为在常规设计中并不考虑构件存在失效的可能性。可靠性设计方法能够定量地预测产品在使用过程中的失效概率，比较真

3、实地反映产品的运行情况，因而比传统设计方法有着更重要的工程意义。涡旋压缩机壳体失效除造成系统不能正常工作外，还可能发生人员伤害等意外事故。承压壳体在设计过程中应考虑结构尺寸及材料属性等各变量的不确定性，对依据常规设计理论确定的结构参数进行结构可靠性评估。在结构不满足安全性要求时，应重新进行设计以确保结构的安全性。涡旋压缩机壳体结构不完全等同于常规压力容器结构，参照压力容器设计方法完成壳体结构参数初步计算后，再利用确定性有限元方法和概率设计方法对壳体结构进行强度校核和可靠性评估，分析方法对相关结构设计具有一定的参考价值。1可靠性设计的基本原理零部件在工作过程

4、中，不允许应力值超过材料的强度极限值旧“1，否则认为零部件失效，失效准则为：盯M>∥，式中盯。。，——零部件最大应力值；盯。——材料屈服极限。则极限状态函数为：Z(X)=盯，一盯一当z(石)≤0时为失效状态，石为所有随机输入变量组成的向量。求解零部件的可靠性，就是求解z(x)>0的概率。2涡旋压缩机壳体厚度的确定涡旋压缩机壳体属于承压结构，参照压力容器设计规范GB150．3-20111中关于承受内压圆筒和封头的设计方法，初步确定了圆筒和封头的壁厚。某型涡旋压缩机壳体结构如图1所示，其中R=33mm，￡=50．5mm，尺T=56mm，气=220mm。材料屈服

5、极限·安徽省科技攻关计划项目(1301022072)。·$周到，男，1973年lO月生，高级工程师。安徽省合肥市，23003l。第42卷第6期化工机械775为345MPa，弹性模量为200GPa，泊松比为0．3，许用应力值为189MPa，计算压力为14MPa。；一f。l一尺，一心力图l壳体结构示意图2．1圆筒壁厚计算当p。≤0．4[盯]‘咖时(p。为计算压力，[盯]‘为设计温度下的圆筒材料许用应力，咖为焊缝系数)，设计温度下的圆筒壁厚气计算公式为：_p。×2×RT．～2聂瓦丁万i“式中c——壁厚附加值，C=1mm；p。——计算压力，Pa；R1．简体内半径，

6、mm；t。——筒体壁厚，mm；[盯]L一许用应力，Pa；西——焊缝系数，咖=1。根据已知数据，考虑钢板厚度负偏差(0．5mm)，并向上圆整至钢板标准规格，得圆筒壁厚为6mm。2．2封头壁厚计算涡旋压缩机封头结构与压力容器椭圆形封头较为接近，参照压力容器椭圆形封头设计方法，初步确定涡旋压缩机封头壁厚。承受内压作用的椭圆形封头壁厚￡的计算公式为：k堑!兰!兰兰+ct=一+1．2×[盯]‘×咖一0．5p。式中c——壁厚附加值，c=lmm；K——形状系数，K=吉【2+(去)2】；L——封头底部内半径，mm；p。——计算压力，Pa；[盯]L一许用应力，Pa；咖——焊

7、缝系数，咖=0．9。结合结构和材料参数计算涡旋压缩机封头壁厚，考虑钢板厚度在加工制造过程中的负偏差(0．5mm)，并向上圆整至钢板标准规格，此处封头壁厚计算结果为6mm。3壳体有限元分析涡旋压缩机壳体由上封头、筒体和下封头组成。壳体是轴对称结构，依据壳体结构尺寸建立实体模型，采用Solid82单元划分网格，利用结构轴对称的特点建立壳体有限元模型”。o如图2所示。图2壳体有限元模型进行仿真分析时，约束壳体中部节点y向位移，约束对称面上节点x向位移，并在壳体内部施加均布载荷14MPa。壳体等效应力云图如图3所示。由图3可知壳体中存在两处薄弱区域，分别位于上、下

8、封头的中间区域，等效应力最大值为257MPa，已超过许用应力值18