压缩机焊接机壳有限元分析

本文以沈阳鼓风机集团股份有限公司生产的百万吨乙烯装置用压缩机水平剖分型焊接机壳为研究对象，通过SolidWorks软件对其进行了三维实体建模与装配，使用大型通用有限元分析软件ANSYS对其进行三维有限元分析，得到整个壳体的变形和应力分布，并确定了内压作用下中分面上、下法兰的接触状态。然后通过对螺栓的局部精细化有限元分析，得到了螺栓及基材预紧后的应力状态，并进一步对螺栓安全进行了有效合理地核算。

1 前言

离心压缩机压缩的气体种类越来越多，除空气、氮气外，还有氯气、煤气、原料气、丙烯及乙烯等一些具易燃易爆有毒的气体。压缩机制造厂为了避免因产品质量问题给用户使用带来风险，在产品出厂前要通过各种试验手段来检验其是否达到预期的性能指标。针对年产百万吨乙烯装置这样的大型国产化重点产品，一项非常重要的试验就是出厂前的水压试验，即在内部水压条件下，压缩机焊机壳应具有良好的密闭性，中分面不应发生泄漏，机壳与螺栓的强度应得到充分保证。本文以沈阳鼓风机集团股份有限公司生产的百万吨乙烯装置用压缩机水平剖分型焊接机壳（以下简称为机壳）为研究对象，使用有限元分析软件ANSYS计算机壳的变形和应力分布，以确定在内压作用下中分面上、下法兰接触面是否分离并造成泄漏，并对中分面预紧螺栓进行基于精细化有限元模型的安全性评估。

2 有限元模型

根据设计图纸，本文用SOLIDWORKS软件对机壳进行实体造型并将其导入到ANSYSWorkbench环境进行有限元模型构建。考虑到机壳结构的对称性，有限元分析仅在一半的实体上进行，并在结构对称面上施加对称边界条件。有限元模型主要包括上、下机壳、中分面法兰、轴承座和端板以及中分面预紧螺栓、一、二段进出口风筒等部件，并保留了主要承载部分的加强筋板。

对机壳整体几何模型，使用ANSYS提供的Solid186和Solid187两种二阶单元进行混合有限元网格剖分，得到其有限元网格模型共如图1.a所示，该模型工包含129739个单元，169534个节点，在有限元模型中，对于上下机壳的法兰接触面以及结构其他零部件之间的接触行为采用ANSYS提供的三维接触单元TARGE170和CONTA174进行模拟，中分面法兰连接的螺栓预紧行为采用PRETS179单元进行模拟。图1.b所示为在螺栓连接局部细化分析中采用的包含螺纹牙等结构细节的全六面体有限元模型，该模型包含单元总数为95067个，节点总数为103139个。

图1 焊接机壳有限元模型

模型的边界条件按水压工况给出：机壳上下颠倒放置，固定上机壳加强筋板上表面和风筒底面的面内位移。计算时的荷载为结构自重、壳体内压和螺栓预紧力。预紧力的计算采用经验公式：

其中，d和T分别代表螺栓直径和预紧力矩。根据给定的预紧力矩（25000Kg*m），计算时施加在预紧单元上的螺栓预紧应力为2500KN。

3 有限元分析结果

3.1 整体应力与变形

当壳体内压为1.6MPa时，机壳的整体变形如图2.a所示，最大位移为5.5mm，发生在风筒的外侧筋板上。结构整体的von Mises 等效应力如图2.b所示，上、下机壳的von Mises等效应力如图2.c-d所示。上机壳高应力区域出现在分流板与内壳板交界处，为应力集中点。上机壳绝大部分区域的应力都不超过200MPa，端板的应力不超过150MPa。计算中发现了少量的高应力集中区，分别出现在出现在分流板与一段进风筒连接处，以及内壳板与分流板的连接处等。经过判别，认定为风筒、加强筋板、外壳板等部件相交、几何形状突变导致的应力集中对机壳的整体强度没有影响。下机壳外壳板的应力值最高不超过150MPa，并且绝大部风区域的应力水平低于100MPa。对外机壳的强度分析表明，机壳在1.6MPa的工作压力下，满足设计的强度要求。

图2 内压1.6MPa下机壳的有限元分析结果

3.2 中分面接触状态分析

按照设计要求，考察上、下机壳法兰在中分面的接触状态。计算结果表明，在1.6MPa内压作用下，接触区域的分布是基本上是均匀的。在图3.a中，红色部分代表黏着区，橙色部分为接触滑动区，黄色部分为接近接触区，蓝色部分为脱开区。可以看到，上、下法兰的接触区大部分为黏着区，接触比较紧密，接触区覆盖了全部螺栓孔，因此在1.6MPa内压下不会发生泄漏。图3.b给出了中分面上的接触压力分布，接触压力大部分区域均低于150MPa，但在法兰中段突出部分靠近气缸的一侧，接触压力要小很多，如图中红圈位置。

图3 上、下法兰中分面接触有限元分析结果

3.3 螺栓应力分析

图4.a给出了中分面预紧螺栓的应力分布。取出机壳中段的一个螺栓，查看其等效应力分布如图4.b所示。螺栓在预紧后呈现拉弯组合变形，最大应力出现在上法兰附近螺栓柱与螺帽的连接处，应力值约为492MPa，螺栓柱内的平均应力不超过398MPa，满足设计强度要求。

图4 内压1.6MPa下螺栓柱等效von Mises应力分布

为了进一步分析中分面预紧螺栓的力学行为，本文对包含螺纹的螺栓连接问题进行了精细模型的有限元分析。建立如图5.a所示的全六面体有限元模型，将整体计算得到的接触压力作为边界条件施加其在与上法兰的接触面；固定其靠近外壳板的一侧，在法兰横剖面施加对称边界条件。

图5 螺栓精细模型接触分析

接触分析的计算结果显示，最大应力发生在第一螺纹区域的螺柱螺纹牙处，其值为937MPa，与之对应的第一螺纹区域的基材螺纹牙处最大应力值为633MPa，其分布分别如图6.a所示。

图6 螺栓基材有限元分析结果

从计算结果看，螺栓柱和基材（不包括螺纹牙）的应力都不高，不会出现强度不足的问题。但螺纹根部区域有高应力区，超过了材料的屈服极限，但都小于两倍的屈服极限，需要特别的注意。

考虑到水压试验后螺栓和基材螺纹牙都要经历卸载过程，并由此产生有利的残余应力场。基于结构安定性理论，若果第一次承载后螺栓与基材的等效应力小于屈服极限的两倍，那么当螺栓再次承受同样的载荷，就不会产生新的塑性变形，而部件内的等效应力与残余应力叠加后，其总应力将小于材料的屈服应力，这样的设计就是合理而安全的。图6.b给出了基材高应力区应力值的衰减情况，从图上看出，等效应力值自高应力区域向外很快衰减。所以在实际使用时，应避免螺栓受力出现大的波动以防止疲劳破坏。

另外，螺栓在实际工作状态下的受力情况非常复杂，如有可能，应该开展验证性实验，校核计算结果。

4 结论

本文针对年产百万吨级乙烯装置用压缩机水平剖分型焊接机壳开展了基于三维实体模型的有限元分析，得到如下结论：

1)在自重、螺栓预紧力和内压作用下，上、下机壳的强度能够满足要求。应力集中仅发生在少数边界形状不圆滑和刚度突变处。

2)在全部荷载(自重、预紧力、内压)作用下，轴承区附近法兰上、下表面保持接触状态，不会发生泄漏。但应注意部分区域接触压力稍小，是整个密封体系的薄弱环节。

3)在螺栓柱与基材螺纹牙上，存在超出屈服极限的高应力区，而根据安定性理论，此处螺栓连接是安全可靠地，但仍应尽量避免交变应力状态引起疲劳断裂。

4)由于螺栓和机壳的受力非常复杂，如有可能，应该开展验证性实验，校核计算结果。