一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法

技术领域

本发明属机械结构有限元分析相关技术领域，更具体地，涉及一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法。

背景技术

自20世纪以来，天然气在能源结构中所占的比例越来越高，在现代工业中有着十分广阔的发展前景。天然气压缩机广泛应用于排水和天然气出产、集气处置、管道运输、贮存等范畴。在工作中，气缸内部承受压缩气体带来的高温高压，工作环境非常恶劣，高压气缸在运行中受到的热应力已经成为高压气缸故障的重要原因之一。但是目前国内外对高压气缸动态热应力方面的研究甚少，也缺乏气缸动态热应力规律的总结，忽略了高压气缸故障的重要原因之一，从而误判其他原因才是导致高压气缸故障的根本原因，无法从故障中吸取经验教训。

高压气缸作为压缩机的重要部件，高压气缸的安全运行是压缩机系统稳定的必要条件。高压气缸运行时的高温及产生的热应力会导致高压气缸变形，严重时会直接导致气缸故障，会提高压缩机运行时故障的发生率。因此，准确的计算出高压气缸运行时各个周期的热应力及其作用规律，降低压缩机的故障率，对高压气缸的安全稳定工作起到关键的作用。

在目前其他关于高压气缸的研究中，更多的关注于气缸的稳态热应力或者与其他稳态载荷的耦合关系，并没有给出高压气缸运行时各个周期的动态热应力计算方法，也缺乏对动态热应力与稳态热应力间的关系总结，因此，本领域存在着发展一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法，其中通过利用瞬态运动温度和应力的模拟值来预测稳态运动温度和应力的预测值，然后利用预测值和稳态运动的计算值进行比较获得误差，当误差较大时，说明瞬态运动的模拟不符合实际，当误差较小时，说明瞬态运动的模拟贴合实际，实现对瞬态运动热应力的分析，有效反映真实的瞬态运动，为实践操作提供指导意义。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1瞬态运动分析

对高压气缸的有限元模型施加动态热边界条件，设定不同的高压气缸模型自由表面初始温度，以此获得高压气缸在不同自由表面初始温度下，瞬态运动中各个周期对应的温度分布模拟值和应力分布模拟值；

将不同自由表面初始温度下的瞬态运动的温度分布模拟值和应力分布模拟值分别拟合为温度分布函数和应力分布函数，将该温度分布函数和应力分布函数作为预测函数预测稳态运动周期中的温度分布场和应力分布，以此获得不同自由表面初始温度下的稳态运动中不同周期的温度分布预测值和应力分布预测值；

S2稳态运动分析

对高压气缸有限元模型施加稳态热边界条件，按照所瞬态运动设定的自由表面初始温度进行温度和应力的计算，获得在不同自由表面初始温度下的稳态运动中各个周期对应的温度分布的计算值和应力分布的计算值；

S3计算误差

在不同自由表面初始温度下，分别计算稳态运动各个周期的温度分布预测值和计算值之间以及应力分布的预测值和计算值之间的差值，以此获得预测值和计算值之间的误差，实现热应力分析。

进一步优选地，在步骤S1中，根据不同自由表面温度下瞬态运动各个周期对应的应力分布模拟值，确定高压气缸模型中的危险区域，其中，危险区域为每个周期中应力峰值所对应的高压气缸模型中的区域。

进一步优选地，在步骤S1中，所述动态热边界条件的设定包括：将所述高压缸的有限元模型设定为绝热模型，高压气缸的进排气腔满足第三类强制对流换热边界条件，高压气缸的自由表面满足第三类自然对流换热边界条件，高压气缸的压缩腔满足第三类强制对流换热边界条件和Woschni半经验公式得到的随周期变化的热边界条件。

进一步优选地，在步骤S1中，求解所述应力场的分布模拟值采用热-机耦合计算的方法。

进一步优选地，在步骤S1中，求解应力分布模拟值中，设定高压气缸的有限元模型的缸体法兰端面的边界条件是轴向位移分量为0，自由表面满足自由边界条件。

进一步优选地，在步骤S2中，不同自由表面初始温度下，稳态运动中的温度分布计算值和应力分布的计算值相同。

进一步优选地，在步骤S3中，在计算误差时，在高压气缸的整个运动周期中选择一个周期i计算误差即可，其中周期i的选择按照下列方式进行：

首先，分别构建周期与温度和应力的二维平面图，其中，每个周期中选择该周期中的温度最大值或者应力最大值作为二维平面图中该周期对应的温度或应力；

其次，周期与温度以及周期与应力的二维平面图中曲率变化均为0对应的周期即为所需的周期i。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过构建瞬态运动的边界条件，对瞬态运动进行模拟，再根据模拟值预测稳态运动获得预测值，最后将稳态运动的预测值与计算值进行比较，当误差较小时，说明本发明采用的方法对瞬态运动的模拟与实际相符合，当误差较大是，说明本发明对瞬态运动的模拟与实际相差较大；采用上述方法能有效对高压气缸刚启动时的瞬态运动进行模拟和分析；

2.本发明中通过对瞬态运动的温度和应力分布的模拟值构建温度和应力的拟合函数，并以此作为稳态运动的预测函数，通过该方式建立了瞬态运动和稳态运动的关系，最终可以通过瞬态运动的预测值与计算值之间的误差反映瞬态运动的模拟值是否准确，方法简单有效，预测精度高；

3.本发明通过根据瞬态运动中各个周期对应的应力分布的最大值对应的高压缸中的位置，确定高压缸中最危险的区域，根据该最危险的区域获知实际高压缸运动中哪个部位承受的应力最大，进而为后续的防范工作起到指导作用。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的有限元的动态热应力分析方法的流程示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的高压缸的有限元模型；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的高压气缸的压缩腔的动态热边界条件曲轴转角和换热系数的对应关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

高压气缸的运动分为启动初期的瞬态运动和后期的稳态运动，稳态运动由于运动状态稳定，其对应的温度和应力可以直接计算获得，但是对于初期的瞬态运动，其运动没有规律，无法直接获得温度和应力的分布，但是实际应用中，瞬态的运动又会产生很多的不确定性和危险，故本发明中提供一种方法，能模拟瞬态运动并且能分析模拟的结构是否准确，具体地，提供一种基于有限元的动态热应力分析方法，执行如下步骤：

1)将高压气缸通过solid works建模软件建立三维模型，将建立高压气缸模型通过ANSYS workbench有限元软件建立高压气缸的有限元模型，高压气缸模型包括缸体和缸套两部分；

2)对高压气缸模型施加动态热边界条件，进行温度场分析，得到高压气缸模型的的各个周期的温度场分布结果；

在温度场分析设定为绝热模型，高压气缸的进排气腔满足第三类强制对流换热边界条件；高压气缸的自由表面满足第三类自然对流换热边界条件，设置自由表面初始温度；高压气缸的压缩腔满足第三类强制对流换热边界条件，满足Woschni半经验公式得到的随周期变化的热边界条件；

3)将各个周期的温度场分析结果作为热载荷施加到高压气缸模型上，进行应力场分析，得到高压气缸模型的各个周期的应力大小及变形量的计算结果；

在应力场分析中，高压气缸模型的缸体法兰端面的边界条件是轴向位移分量为0；高压气缸模型的自由表面满足自由边界条件；

4)将高压气缸模型的温度场及应力场计算结果导入matlab，绘出各个周期的温度场和应力场随周期变化的曲线，并对的各个周期的温度场和应力场随周期变化的曲线进行函数拟合，得到动态的温度场和应力场的函数表达式，并预测稳态时高压气缸模型的温度场和应力场；

5)对高压气缸模型施加稳态热边界条件，重复步骤2)和步骤3)，计算得到高压气缸模型的稳态温度场和应力场；

6)改变高压气缸模型自由表面初始温度，重复步骤3)～步骤5)，可得到高压气缸模型在不同缸体初始温度下的温度场和应力场，分析的温度场和应力场，找到高压气缸模型的危险区域，并对模型进行优化；

7)将步骤4)计算得到的高压气缸模型的稳态温度场和应力场与步骤5)预测得到的高压气缸模型的稳态温度场和应力场进行误差分析。

上述技术方案的改进是：步骤6)中的改变高压气缸模型自由表面初始温度，通过冷启动和热启动的仿真分析，给出作用规律，以及可用于找到高压气缸模型的危险区域，并对模型进行优化。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

本实施例的一种高压气缸模型的动态热应力分析方法，如图1所示，执行如下步骤：

1)将的高压气缸通过solid works建模软件建立三维模型，将建立的高压气缸模型通过ANSYS workbench有限元软件建立高压气缸的有限元模型，并完成对单元类型、材料参数的设定，高压气缸模型包括缸体和缸套两部分，如图2所示；

2)对高压气缸模型施加动态热边界条件，进行温度场分析，得到高压气缸模型的的各个周期的温度场分布结果；

在温度场分析设定为绝热模型，高压气缸的进排气腔满足第三类强制对流换热边界条件，满足努谢尔特数进行表述：

计算可得进气腔换热系数为250W/(m

高压气缸的自由表面满足第三类自然对流换热边界条件，设置气缸自由表面自然对流换热模型为Simplified Case，设置自由表面初始温度为45摄氏度；

高压气缸的压缩腔满足第三类强制对流换热边界条件，满足Woschni半经验公式得到的随周期变化的热边界条件，如图3所示；

Woschni半经验公式

3)将各个周期的温度场分析结果作为热载荷施加到高压气缸模型上，进行应力场分析，得到高压气缸模型的各个周期的应力大小及变形量的计算结果；

4)将高压气缸模型的温度场及应力场计算结果导入matlab，绘出各个周期的温度场和应力场随周期变化的曲线，并对的各个周期的温度场和应力场随周期变化的曲线进行函数拟合，得到动态的温度场和应力场的函数表达式，并预测稳态时高压气缸模型的温度场和应力场；

5)对高压气缸模型施加稳态热边界条件，重复步骤2)和步骤3)，计算得到高压气缸模型的稳态温度场和应力场；

6)改变高压气缸模型自由表面初始温度，重复步骤3)-步骤5)，可得到高压气缸模型在不同缸体初始温度下的温度场和应力场；分析的温度场和应力场，找到高压气缸模型的危险区域，并对模型进行优化。

7)将步骤4)计算得到的高压气缸模型的稳态温度场和应力场与步骤5)预测得到的高压气缸模型的稳态温度场和应力场进行误差分析，如表1所示。

表1预测值与计算值误差对比

上述表格中，计算值相等于稳态运动的应力分布计算值，冷启动预测值相当于稳态运动的应力分布模拟值，热启动预测值相当于，改变自由表面温度后，稳态运动的应力分布模拟值，其中，由于稳态运动中，不同自由表面温度的变化不影响应力和温度的分布计算值，所以在不同的自由表面温度下，稳态运动的应力分布计算值和温度分布计算值都是一样的。

另外，上述表格中还展示的热流和位移的稳态运动中产生的误差，本申请的方法中并没有详细介绍上述热流和位移的误差获得的方法，其可采用现有已知的方法获得，不在本发明中予以累述；从上述表格中可以看出，冷启动误差和热启动误差都相对较小，即根据瞬态运动预测的稳态运动的温度和应力分布与实际计算的温度和应力分布计算值接近，也就证明了采用本发明提供的方法对瞬态运动的模拟与实际的瞬态运动接近，说明本发明提供的方法有效。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。