基于材料替換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的壓縮機活塞輕量化設(shè)計

曹火光，邵佳豐

(1.固耐重工(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215400)(2.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

作為壓縮機的關(guān)鍵部件，活塞設(shè)計質(zhì)量的好壞直接影響整機的性能[1]。若活塞的強度、剛度達不到要求，則難以保證壓縮機穩(wěn)定運行；若為了強度與剛度要求單純增加材料厚度，則會導(dǎo)致活塞質(zhì)量增加，增大制造成本與能源消耗。因此，在滿足力學(xué)性能要求的條件下，對活塞進行輕量化設(shè)計便十分關(guān)鍵[2]。目前輕量化設(shè)計主要有兩種方式，一種是依靠疲勞強度理論進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，盡可能地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的強度潛力，減少材料的使用，從而減輕質(zhì)量；另一種則是通過使用高性能輕量化材料替換原材料來減輕質(zhì)量[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對輕量化設(shè)計方法展開了大量研究?；粜倪_等[4]基于變密度法拓撲優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對發(fā)動機活塞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在材料不變的情況下質(zhì)量減輕6.471%；馮金芝等[5]通過材料替換和結(jié)構(gòu)改進設(shè)計了一種輕量化鎂合金副車架；何龍軍等[6]采用材料替換和尺寸優(yōu)化對汽車發(fā)動機罩蓋進行輕量化設(shè)計；王雷等[7]利用響應(yīng)面分析與多目標優(yōu)化方法對某機床立柱進行優(yōu)化，得到的優(yōu)化模型質(zhì)量降低7.2%。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以壓縮機活塞為研究對象，首先采用材料替換的方法對其進行輕量化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上利用有限元分析方法對活塞的強度、剛度和振動特性進行分析，最后對使用輕量化材料后的活塞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足力學(xué)性能要求。

1 輕量化材料的選取

輕量化設(shè)計流程示意圖如圖1所示，首先需要進行材料替換，初始的壓縮機活塞使用的材料是Q345，對其進行輕量化設(shè)計時需要選用更加輕質(zhì)的材料進行替換。7075鋁合金又稱高強或超強鋁合金，具有強度高、韌性好、密度低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、機械設(shè)備等領(lǐng)域，是理想的活塞輕量化材料[8]。Q345與7075鋁合金的材料特性見表1。

圖1 設(shè)計流程示意圖

2 活塞有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型的建立

基于SolidWorks三維軟件建立活塞三維模型，主要包括輪轂、蓋板、外圈和加強筋4個部分。為了方便進行有限元計算，需要對模型進行簡化處理，去除模型上各種倒角、連接孔和定位孔等，簡化后活塞剖面圖如圖2所示。

表1 材料性能參數(shù)

圖2 活塞三維模型

為了更加接近活塞的實際工作狀態(tài)，在活塞外嵌套一個氣缸來對活塞進行約束，之后將模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation，采用默認的網(wǎng)格劃分方式，最終得到51 366個節(jié)點，22 438個單元，活塞的有限元模型如圖3所示。

2.2 有限元分析結(jié)果

對活塞有限元模型設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷后進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，靜力學(xué)分析計算應(yīng)力、應(yīng)變與最大形變量，模態(tài)分析計算活塞前6階振型。初始活塞和材料替換后的活塞云圖如圖4、圖5所示，靜力學(xué)分析和模態(tài)分析結(jié)果見表2、表3。

圖3 活塞有限元模型

由圖4、圖5和表2可知，初始活塞變形最大的部位出現(xiàn)在活塞周向中間部分，并且沿周向呈現(xiàn)明顯的周期性，主要是由于這個部位處于兩塊加強筋之間，支撐剛度較低，但由于Q345本身彈性模量較大，所以整體形變量并不大。初始活塞最大應(yīng)力為23.671 MPa，遠小于Q345的屈服極限，所以模型的剛度是符合要求的。材料替換后，新活塞與原活塞相比應(yīng)力相差不大，并且由于7075鋁合金的屈服極限要高于Q345，所以活塞強度符合要求。但是由于鋁合金材料的彈性模量較小，材料相對較軟，所以改用鋁合金后活塞的形變量明顯增加，即活塞的剛度嚴重下降。由表3的模態(tài)分析結(jié)果可知，材料替換后各階模態(tài)頻率都低于初始活塞，振動特性變差。因此僅使用材料替換不符合輕量化設(shè)計不降低原結(jié)構(gòu)性能的原則，還需要對活塞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖4 Q345活塞云圖

圖5 7075鋁合金活塞云圖

表2 靜力學(xué)分析結(jié)果

表3 模態(tài)分析結(jié)果 單位:Hz

3 活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)圖4和圖5云圖對比得出的具體改進措施如下：

1)由于活塞整體形變都有所增加，因此首先要對活塞材料整體進行加厚，輪轂直徑從105 mm增加到155 mm；活塞兩端蓋板厚度由14 mm增加到18 mm；加強筋厚度從14 mm增加到15 mm，并且取消中間部分的開孔；加強筋數(shù)量由12根減少為10根。

2)由于活塞周向中間部分的形變量最大，因此對此部分進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先在端蓋兩側(cè)內(nèi)部增加兩塊外徑為1 000 mm、內(nèi)徑為600 mm、厚度為20 mm的圓環(huán)形加強筋，其次在半徑425 mm處增加一條厚度為15 mm的環(huán)形加強筋。

改進后的新活塞模型如圖6所示，雖然對材料進行了加厚，并且增加了不少結(jié)構(gòu)，但由于鋁合金的密度小，改進后的活塞質(zhì)量為479.37 kg，與初始活塞的834.31 kg相比，質(zhì)量仍然減少了42.54%。對改進后的活塞進行有限元分析，活塞云圖如圖7所示，與初始活塞的對比見表4、表5。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后活塞三維模型

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后活塞云圖

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖7可以看到，由于增加了許多加強部件，活塞表面形變已經(jīng)形成了一個整體，而不是如圖4呈現(xiàn)周期性，說明結(jié)構(gòu)的整體性更強。從表4中可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的活塞形變量和初始活塞已經(jīng)十分接近，并且應(yīng)力大幅下降，表明材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的活塞在減輕質(zhì)量的同時仍有不低于初始活塞的力學(xué)性能。模態(tài)分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的活塞各階模態(tài)頻率都有大幅提升，活塞的振動特性得到了加強。

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模態(tài)分析結(jié)果 單位:Hz

4 結(jié)束語

本文通過材料替換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式實現(xiàn)了壓縮機活塞的輕量化設(shè)計，使活塞質(zhì)量減輕了42.54%。有限元分析仿真結(jié)果表明：材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的新活塞的形變、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)性能指標都符合要求，各階模態(tài)頻率都得到提升，振動特性得到了加強。由此可見，材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合是一種有效的輕量化設(shè)計方法。