任麗萍，胡余生，孔令超，徐 嘉

(國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070)

1 引言

隨著旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)發(fā)展的不斷成熟，行業(yè)內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)壓縮機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是對(duì)各種工藝的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，成為行業(yè)中各廠家的發(fā)展重點(diǎn)方向。焊接是壓縮機(jī)部件連接中最主要的方式，因此設(shè)法解決焊接帶來(lái)的各種缺陷一直是行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，焊接工藝對(duì)產(chǎn)品變形導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題一直存在，并備受大家的關(guān)注，但如何去分析和改善這些問(wèn)題，一直困擾著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員，又因壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，是一個(gè)封閉容器，同時(shí)壓縮機(jī)零件精度和裝配精度又很高，要通過(guò)一些試驗(yàn)手段來(lái)摸清焊接對(duì)焊件變形的影響比較困難，往往因?yàn)闇y(cè)試拆分壓縮機(jī)帶來(lái)較大的誤差，所以要得到一組準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)難度很大，因此建立一套可直觀描述焊接變形的分析方法意義重大。

旋轉(zhuǎn)式變頻壓縮機(jī)中泵體通過(guò)焊接方式固定在殼體上。因被焊件氣缸是泵體組件中關(guān)鍵零件，氣缸焊接后易出現(xiàn)氣缸內(nèi)圓變形、滑片槽變形，甚至影響到整個(gè)泵體軸向的偏移 (如圖1)，如此易造成關(guān)鍵尺寸的公差超過(guò)設(shè)計(jì)公差，定子和轉(zhuǎn)子間隙不良，從而使壓縮機(jī)機(jī)械損失大，振動(dòng)噪聲異常，性能降低等系列問(wèn)題，以致威脅到整機(jī)的可靠性。

焊接變形除由焊接本身的產(chǎn)熱及焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生之外，與被焊件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也有密切關(guān)系，尤其是焊點(diǎn)周邊氣缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式對(duì)氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形量影響較大。本文重點(diǎn)介紹了一種基于雙橢球移動(dòng)熱源的熱彈塑性有限元分析方法，通過(guò)該方法，可得到焊接件在焊接過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及變形情況，使產(chǎn)品焊接過(guò)程和焊后結(jié)果可視化，并展示了應(yīng)用該方法進(jìn)行焊接件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的改善結(jié)果。

圖1 軸偏轉(zhuǎn)示意圖

2 熱彈塑性有限元分析方法

將要介紹的雙橢球移動(dòng)熱源的熱彈塑性有限元分析方法，可以指導(dǎo)氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少裝機(jī)驗(yàn)證次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，大大節(jié)約成本。

2.1 建模

模型選用氣缸和厚度為3mm的殼體。為提高計(jì)算速度，減少單元數(shù)量，將模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，殼體關(guān)于焊點(diǎn)布置面對(duì)稱(chēng)，高度為64mm。計(jì)算過(guò)程包括起弧、焊接、收弧、在焊機(jī)上冷卻、在空氣中冷卻幾個(gè)過(guò)程。焊接工藝:焊接電壓26V，焊接電流230A，起弧時(shí)間0.3s，焊接時(shí)間1.1s，收弧時(shí)間0.3s，第一次冷卻時(shí)間50s，最終冷卻時(shí)間150s。

氣缸采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，焊點(diǎn)和殼體采用六面體單元。

2.2 材料屬性

因焊接過(guò)程中材料受焊接熱的影響會(huì)達(dá)到一個(gè)很高的溫度，局部最高甚至達(dá)到1400℃以上的高溫，基本處于熔融狀態(tài)，所以材料性能參數(shù)變化較大，尤其是接近焊料附近的母料。因此這里的材料屬性中楊氏模量、屈服應(yīng)力、熱導(dǎo)率、比熱等參數(shù)設(shè)置是隨溫度變化的曲線，如圖2和3。密度、泊松比、熱膨脹系數(shù)等采用常數(shù)。

圖2 楊氏模量和屈服強(qiáng)度變化曲線

圖3 熱導(dǎo)率和比熱容變化曲線

2.3 定義邊界約束

這里邊界定義包括熱力兩種邊界條件，邊界條件的設(shè)置基本與實(shí)際焊接過(guò)程的涉及工裝定位和環(huán)境條件設(shè)置一致，其包括三個(gè)階段:焊接時(shí)是一種邊界條件，第一階段冷卻時(shí)采用一種邊界條件，最終冷卻時(shí)采用另一種邊界條件。

2.4 定義接觸體

焊點(diǎn)與殼體和氣缸在焊接過(guò)程中存在熱傳導(dǎo)和約束作用，所以它們之間存在互相作用的影響，所以這里應(yīng)將焊點(diǎn)與殼體和氣缸分別定義為粘接。

2.5 載荷

載荷采用雙橢球移動(dòng)熱源，對(duì)橢球熱源進(jìn)行定義，給定熱輸入和移動(dòng)速度等參數(shù)。如圖4為雙橢球熱源示意圖。

2.6 結(jié)果分析

焊接變形分析中，最關(guān)心的是被焊件氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形大小，所以針對(duì)計(jì)算結(jié)果提取氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形數(shù)據(jù)，以便于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 雙橢球熱源示意圖

圖5 溫度云紋圖

圖6 氣缸變形圖

1)氣缸焊點(diǎn)部分溫度最大達(dá)到1000℃以上，如圖5;

2)氣缸測(cè)點(diǎn) (焊點(diǎn)上方)溫度達(dá)到141℃;

3)氣缸內(nèi)圓變形呈橢圓形如圖6，其中虛線表示變形后輪廓線，實(shí)現(xiàn)為原模型輪廓線，;

4)氣缸滑片槽變形趨勢(shì)為變窄如圖6。

3 試驗(yàn)

3.1 氣缸內(nèi)徑和滑片槽測(cè)試變形量測(cè)試

1)焊接前將氣缸內(nèi)圓和滑片槽進(jìn)行標(biāo)記;

2)對(duì)氣缸內(nèi)圓和滑片槽的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù);

圖7 溫度變化曲線

圖8 氣缸內(nèi)圓測(cè)點(diǎn)變形

3)按工藝要求進(jìn)行焊接，測(cè)量過(guò)程中監(jiān)測(cè)兩焊點(diǎn)上方的溫度變化，平均溫度變化曲線如圖7。

4)待被焊件冷卻后，測(cè)量氣缸內(nèi)圓度，對(duì)焊后氣缸內(nèi)圓和滑片槽的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。

5)氣缸內(nèi)圓和滑片槽變形數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)分析及討論

1)兩測(cè)點(diǎn)的平均溫度曲線如圖7，最大值為125℃，與仿真結(jié)果的溫度值141℃對(duì)比，可知誤差在12.8%;

2)實(shí)測(cè)圓度情況和仿真計(jì)算內(nèi)圓變形有很大的相似度;

3)氣缸內(nèi)圓變形5個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算和仿真值見(jiàn)圖8，可知最大誤差為13.3%;

4)氣缸滑片槽變形5個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算和仿真值如圖9，可知最大誤差為18.1%。

由此可得，該熱彈塑性有限元計(jì)算方法誤差在20%以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 應(yīng)用

根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所要求，針對(duì)A型號(hào)產(chǎn)品性能優(yōu)化的要求，對(duì)A型號(hào)氣缸進(jìn)行了焊接變形結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，并提出了一個(gè)優(yōu)化方案如圖11。優(yōu)化通過(guò)保證氣缸裝配及加工工藝等要求，調(diào)整焊點(diǎn)周?chē)Y(jié)構(gòu)形式，從而改善焊接熱傳遞路徑，使三個(gè)焊點(diǎn)熱影響更均勻，最終減弱殘余應(yīng)力帶來(lái)的影響，減少焊接帶來(lái)的變形。

圖9 氣缸滑片槽測(cè)點(diǎn)變形

圖10 原氣缸圖

圖11 優(yōu)化后氣缸圖

A型號(hào)原氣缸焊接帶來(lái)的內(nèi)圓最大變形達(dá)5.27um，滑片槽最大變形達(dá)3.74um;優(yōu)化后氣缸焊接帶來(lái)的內(nèi)圓最大變形僅2.95um，滑片槽最大變形僅2.44um。由此可知，氣缸內(nèi)圓變形改善程度高達(dá)44%，滑片變形改善程度可達(dá)34.8%。通過(guò)性能測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，A型號(hào)壓縮機(jī)性能由原來(lái)的5.43提高到5.53，提升幅度1.8%。原氣缸和優(yōu)化后氣缸的剛度分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后氣缸剛度也有較大幅度提高。A型號(hào)優(yōu)化后氣缸目前已大批量投入使用。

5 結(jié)論

本文通過(guò)CAE仿真中的熱彈塑性有限元計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的思路，建立一種評(píng)估焊接變形的熱力耦合分析手段，并得到了以下結(jié)論:

1)該熱彈塑性有限元計(jì)算方法變形誤差可控制在20%;

2)該熱彈塑性有限元計(jì)算方法溫度場(chǎng)誤差可控制在15%;

3)氣缸內(nèi)圓和滑片槽變形趨勢(shì)也有較高的相似度;

4)通過(guò)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比，確定焊接變形仿真分析方法的正確性，為后續(xù)氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化和方案篩選提供了理論參考依據(jù)和模擬分析方法;

5)該方法已在壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)上進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果較明顯。

［1］陳火紅.MARC有限元分析實(shí)例教程 ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.2

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè) ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.8

［3］馬愛(ài)軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005

［4］楊劍，張璞，陳火紅.新編MD Nastran有限元實(shí)例教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［5］陳隆德，趙福令.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)技術(shù) ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000

［6］繆道平，吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001