压缩机吸气阀片的优化设计 - 文章

压缩机吸气阀片的优化设计

作者：扎努西电器机械天津压缩机公司叶航王毅周莘

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摘要：本文使用ANSYS WORKBENCH对压缩机吸气簧片阀进行了优化设计分析。通过对计算结果和敏感度的分析发现，阀片最细截面宽度和阀片伸展角度对其承载能力和工作性能影响较大。合理地设计这两个参数可以有效提高压缩机的寿命。
关键词：簧片阀；优化设计；敏感度分析

1 引言

簧片阀是冰箱压缩机的重要部件，也是易损件，直接影响压缩机的性能。如果对其设计不当，将会增大阀片疲劳断裂的可能，从而导致压缩机非正常停机、使用寿命降低等不良后果。因此，如何正确设计簧片阀，对于提高压缩机使用寿命，避免非正常停机具有重要意义。

目前，针对压缩机簧片阀已经开展了很多研究工作。王毅、谭伟华，给出了气阀运动规律的数学模型[1]，何国庚、肖彪在此基础之上又对簧片阀的结构进行了部分优化[2]。通过对已有研究工作的分析我们发现，针对簧片阀的设计理论还不完善，存在的主要问题是多数研究工作都是对簧片阀工作性能的研究，优化设计只是针对单一参数分别进行优化，还不能做到多目标、多参数同步优化。

本文使用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH，对我公司某型号压缩机吸气阀片进行了较为全面的多目标、多参数同步优化设计。在获得气阀运动过程中的应力分布的基础上，通过优化设计，有效地降低了气阀的工作应力，提高了气阀可靠性和安全性。采用文中的多目标、多参数同步优化设计方法可以有效地缩短设计周期，对多目标和多参数零件和结构优化设计具有普遍的指导意义。

2 基本原理与求解

2.1 大变形单元刚度方程

考虑到吸气阀片工作状态下的变形较大，排气系统属于大变形问题。整体结构的非线性有限元刚度方程具有以下的形式：

[K(u)]{U}={P}（1）

从上式可以看出，在考虑大变形的条件下，刚度矩阵依赖于待求位移。在局部坐标系下，包括大变形的单元刚度方程为：

式中，

[K]e为单元刚度矩阵，[K0]e是小变形刚度矩阵，[Kσ]e是初应力刚度矩阵，[Kl]e是大变形刚度矩阵。{p}e,{f}e,{r}e分别为等效节点载荷、单元所受到的节点力和初应力节点力。由单元刚度矩阵经坐标变换可以通过组集来建立整体结构的刚度方程。

2.2 目标函数和优化设计变量

根据压缩机吸气阀片的设计要求，选取四个目标函数，即：工作应力最小、结构应变与变形最小，结构反作用力适当。其表达式为：

将优化设计变量取为：

其中：
h—底圆圆心竖直方向高度
t—最细截面1/2宽度
α—阀片伸展角度
r—最细截面过渡圆弧半径
R—底部圆弧半径

根据设计要求,确定的约束条件如下：

吸气阀片的多目标多参数优化设计可表述为寻找满足约束条件式（8）-（17）时式（4）-（6）的解。由于式（4）-（6）不能用函数表示，只能采用数值方法求解。考虑到约束条件较多，文中通过优化设计参数的敏感性分析确定了2个对目标函数影响最大的参数。

3 模型与求解

3.1 有限元建模与网格划分

打开Design Model，模型选用牛顿-毫米（N-mm）单位制。首先按照自底向上的方式创建1/2簧片阀模型，然后使用轴对称命令，建立完整的阀片模型。最后，将(7)式中的优化设计变量设置为优化设计输入参数，见图1。

图1 吸气簧片阀参数模型图

在Design Space下，设置材料参数弹性模量E=2.1*1011Pa,泊松比μ=0.3。共划分3030个空间单元，如图2所示。

图2 吸气簧片阀网格图

3.2 边界条件及求解

根据阀片的实际工作状况，在吸气阀片根部施加零位移约束，在阀片中心位置施加垂直于阀片的Z向位移。根据选取的目标函数,将结构等效应力、等效应变、总体变形设置为优化设计响应参数保存在Design Space中,同时考虑结构反作用力对优化设计参数的响应。

在Design Xplore下，通过参数设置选项对输入参数进行赋值，创建驱动参数Stiffness,把它定义为结构反作用力的目标函数。

4 敏感性分析与优化结果分析

目标函数对优化设计变量的敏感度分析表明: 优化设计变量t和α，即阀片最细截面宽度和阀片伸展角度两个参数对目标函数的影响最大, 等效应力敏感度的分析见图3, 等效应变的敏感度图显示（图略），等效应变受t和α的影响更大，但对r和R并不敏感。分析中通过定义反作用力与系统刚度的函数关系，研究了优化设计参数对吸气阀片整体刚度的影响。

图3 应力敏感度图

图4绘出了簧片阀最细截面宽度与应力关系。可以看出，结构最大应力随着t的增大而增大。为了降低气阀的工作应力，应在考虑工艺条件允许的情况下，适当减小最细截面处的宽度。图5则显示了最细截面宽度与阀片伸展角度共同影响结构应力的变化关系。当t=1, α=9度时应力最小，设计时应尽量将上述两个参数设置在这个值附近；而当t=1.2，α=9度时结构应力最大，设计时应予以避免。

图4 最细截面宽度与应力关系

图6反映了系统刚度的变化情况。最细截面宽度、阀片伸展角度是影响它的两个重要因素。如果希望增大系统刚度，应同时增大两个参数的取值；如果希望获得一个较低的系统刚度，应尽量减小这两个参数的取值。

图5最细截面宽度-角度-应力关系图6最细截面宽度-角度-刚度关系

图7反映了结构等效应变随着阀片伸展角度、底部圆弧半径的改变而变化的趋势。减小阀片伸展角度同时增大底部圆弧半径有助于降低结构的等效应变。

图7角度-底圆半径-应变关系图8. 方案B结构应力云图

5 簧片阀设计实例

根据Design Xplore优化设计要求[3]，将上述参数进行重新筛选组合，备选设计方案(表1),并对被选方案进行验证。

通过对表1各候选方案的计算发现，经优化设计之后的吸气簧片阀工作应力明显降低（表2）。综合阀片刚度的设计要求，我们选择了方案B作为最终设计方案。图8为方案B经Design Space综合优化设计后的等效应力结果。应力由原来的577MPa降低到532MPa，降低了7.8%。图9为经过优化设计之后的压缩机簧片阀实物图，目前它已经应用于我公司新型号压缩机的样机制造。

图9 优化后的簧片阀

6 结论

6.1使用Design Xplore对压缩机吸气簧片阀进行优化设计可以有效地降低它的工作应力，提高使用安全性。
6.2采用文中的优化设计方法可以有效地缩短簧片阀的设计周期，将原有的设计时间从4周缩短到3天，不仅提高了工作效率，而且避免了大量的重复劳动。
6.3文中的优化设计方法对多目标和多参数零件和结构优化设计具有普遍的指导意义。

参考文献
[1] 王毅,谭伟华. 制冷压缩机气阀运动规律的数学模拟,流体机械 [J],2001,3:19-21
[2] 何国庚,肖彪. 冰箱压缩机吸气簧片阀的数值模拟与优化,低温工程 [J],2005,5:59-64
[3] ANSYS Company. ANSYS Workbench Design Xplorer 7.1 Help.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/3/2007)


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