基于ANSYS的CO2活塞压缩机活塞裙部改善的热力耦合分析

初韶群，黄 鑫

（松下冷机系统（大连）有限公司，辽宁大连116033）

1 引言

在CO2跨临界循环中，压缩机作为制冷循环的关键部件在较高压力下运行，排气压力可高达12 MPa，吸气可低至2 MPa，活塞所受气体力及气体力压差都远大于传统压缩机活塞[6]。而活塞与缸套之间的相互运动和润滑状态直接影响压缩机的工作性能。在侧向力和气体力的作用下，活塞的裙部产生变形，裙部受热后膨胀，在销座轴向的膨胀量最大，裙部受力变形与热膨胀变形的结果都使销座在其轴向有较大的伸长。为了使变形后的活塞裙部仍能保持圆形，在活塞销座周围表面的部位铸成局部凹陷，本文主要针对改善后的活塞进行热力耦合分析，观察裙部变形，以验证结构改善的合理性。

2 活塞模型的建立

2.1 活塞的有限元模型

应用CATIA建立活塞三维模型，其中在活塞受最大和最小气体压力时，连杆与气缸中心线的夹角都为180°，受力模型相似，由于主要分析活塞裙部的变形，所以不考虑吸气压力条件下的变形。导入ANSYS分析，材料[1]选用超硬铝7A04，密度2810 kg/m3，泊松比0.3，弹性模量70GPa，热膨胀系数20.96×10-6n，选用Solid86单元，由于活塞的变形不是完全对称的，所以在计算时使用整体模型，而并不选用1/4、1/2模型进行分析。为便于说明实体模型如图1所示。

2.2 热边界条件的确定

本文所计算的活塞，无内热源，边界条件属于第三类边界条件，即给定流体温度和对流换热系数求温度[4]。为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，就必须先确定与活塞接触的流体介质温度和对流换热系数。活塞顶内腔和裙部内侧表面的换热系数则采用准则方程式计算和类比相结合的方法确定，见表1。

2.3 位移边界条件的确定

在有限元分析中，为了使活塞不产生刚体位移，必须给出合适的位移约束[3]。约束的确定可以按照以下原则进行：

（1） 约束模型对称面上的每个节点，在该平面内的法向位移均为0；

（2） 约束活塞销孔与活塞销接触部分的节点轴向位移，来模拟活塞销对活塞的约束。

图1 活塞实体模型

2.4 载荷边界条件的确定

活塞承受的机械载荷主要有顶部气体的气体压力、往复惯性力、侧向力、销座支反力4种。选用最大排气压力12 MPa，侧向力10069.77 N，连杆力9592.21 N，活塞力9333.54 N，总法向向力10219.20 N。

（1） 活塞往复惯性力F1等于活塞质量m与加速度a的乘积

有限元分析时，只需要施加加速度a即可。

（2） 活塞侧向力[6]采用Patir和Cheng提出的平均流量模型计算粗糙表面间的流体动压分布，对活塞系统来说，由于缸套静止不动，平均Reynolds方程可以写成

通过上式求出活塞的平均流体压力ph，则侧向力的计算如下

其中r——活塞半径，mm

ph——平均流体压力，MPa

θ——曲柄转角，rad

（3）活塞销座支反力方向向上，分别作用在2个销座孔内圆上，作用在活塞轴线方向的力可由式 （3） 求得

其中 FG=24734.4N

Ff——由流体动压行为引起的在活塞主次推力边上的摩擦力

表1 活塞主要部位换热系数及环境温度

F1和F1p——活塞往复运动引起的活塞惯性力和销惯性力

图2 活塞热力耦合变形云图

图3 活塞销孔方向变形云图

3 有限元结果分析

得到活塞总变形量以及活塞销孔方向变形云图，如图2、3所示。总变形量0.069305 mm，沿活塞销孔方向即裙部变形最大0.035132 mm。

4 结论

本文应用ANSYS软件针对某型号CO2活塞压缩机进行活塞裙部的结构改善分析，得出如下结论：

（1） 参考制造标准，裙部与气缸间间隙0.128~0.092 mm，本文涉及对CO2活塞压缩机活塞裙部的结构改善符合标准，满足在设计工况下运转时的强度要求。

（2） 在开发要求更高工作强度的压缩机时，能够应用裙部改善的方法对压缩机活塞进行结构设计以满足设计要求。