[发明专利]一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法

说明书

本发明属机械结构有限元分析相关技术领域，并公开了一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法。该方法包括下列步骤：S1模拟并获得瞬态运动对应的温度分布模拟值和应力分布模拟值；利用温度分布模拟值和应力分布模拟值预测稳态运动，获得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计算并获得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。通过本发明，实现瞬态运动的热应力的模拟，有效反映实际的瞬态运动，为实践提供指导意义。

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。