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壓縮機(jī)活塞環(huán)由聚四氟乙烯(簡(jiǎn)稱(chēng)PTFE)材料制備而成，工作過(guò)程中，它填充于氣缸套和活塞之間，其靠近吸氣口的端面在吸氣排氣壓差的作用下，大部分都緊貼活塞，這里吸氣壓力為1.45MPa(表壓，以下同)，排氣壓力為3.2MPa。活塞環(huán)外徑514.3mm，內(nèi)徑466.8mm，與活塞貼緊部分的圓環(huán)外徑499.8mm，軸向厚度為12.8mm。為便于安裝與密封避免漏氣，該活塞環(huán)采用開(kāi)口非閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
實(shí)際強(qiáng)度分析中，考慮到活塞環(huán)與氣缸壁以及活塞的相互作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)與載荷進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，主要體現(xiàn)在：①工作過(guò)程中，活塞環(huán)在高溫環(huán)境下(800℃)會(huì)膨脹與氣缸套接觸，因此其徑向變形會(huì)受到約束，但在充分潤(rùn)滑的情況下，活塞環(huán)與氣缸套之間的摩擦力很小，因此簡(jiǎn)化模型忽略了活塞環(huán)的軸向摩擦力，②該活塞環(huán)是一個(gè)準(zhǔn)軸對(duì)稱(chēng)實(shí)體，考慮到載荷及形狀的對(duì)稱(chēng)分布，根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)原理，有限元分析計(jì)算模型只取活塞環(huán)的1/2，簡(jiǎn)化的活塞環(huán)三維力學(xué)模型見(jiàn)圖。
1)圖中邊界1是模型內(nèi)部對(duì)稱(chēng)截面，因此笛卡爾坐標(biāo)系下，它的X向、Y向位移都應(yīng)為零，2)邊界2為活塞環(huán)的外側(cè)面，由于它受到氣缸套的約束，因此在圓柱坐標(biāo)系下，其徑向位移將受約束，3)邊界3是活塞環(huán)端面與活塞緊密接觸的部位，該端面將受到來(lái)自活塞的約束，軸向z的位移為零，4)邊界4是活塞環(huán)端面未受約束的部分區(qū)域，承受壓縮機(jī)均布吸氣壓力p=1.45MPa的作用，5)邊界5是活塞環(huán)的內(nèi)側(cè)面，承受排氣壓力P=3.2MPa的作用，為均布載荷，6)邊界6是活塞環(huán)的自由端面，承受均布排氣壓力p=3.2MPa的作用。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分采用Solid45空間六面體單元(8節(jié)點(diǎn))。活塞環(huán)三維實(shí)體建模后，進(jìn)行自下而上的網(wǎng)格劃分與優(yōu)化，并對(duì)與活塞接觸的局部區(qū)域作了網(wǎng)格細(xì)化，共劃分得2340個(gè)單元，含4098個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體網(wǎng)格分布由圖給出。
整個(gè)開(kāi)孔平蓋的實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分以及求解都是通過(guò)國(guó)際通用有限元強(qiáng)度分析軟件ANSYS來(lái)完成。利用活塞環(huán)簡(jiǎn)化力學(xué)模型計(jì)算得到的有限元結(jié)果參見(jiàn)圖，圖中給出了活塞環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度分布。從圖中可以看出，在活塞環(huán)與活塞接觸的邊緣區(qū)域存在一定的應(yīng)力集中，并以此為界沿徑向降低，這與活塞環(huán)的實(shí)際受力情況相符。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在活塞環(huán)端部橫截面上，這是由于簡(jiǎn)化力學(xué)模型將此處處理為固支所致。有限元結(jié)果評(píng)定中，首先要依危險(xiǎn)路徑進(jìn)行線性化處理，然后再根據(jù)JB473-2005分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)組合評(píng)定。這里通過(guò)最大應(yīng)力點(diǎn)沿厚度方向(即軸向)作線性化路徑，具體見(jiàn)圖。該路徑上的一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI、一次薄膜、一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SIQ以及一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SW的分布由JB4732-2005列示。從JB473-2005可以看出，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在邊界面6一側(cè)，對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為4.733MPa、5.198MPa和5.198MPa，而聚四氟乙烯(簡(jiǎn)稱(chēng)PTFE)材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度等于5.0MPa，因此上述應(yīng)力均遠(yuǎn)小于或接近它們對(duì)應(yīng)的許用極限。由此根據(jù)JB473-2005分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可知活塞環(huán)在當(dāng)前力學(xué)模型下強(qiáng)度安全。同時(shí)由于活塞環(huán)與活塞接觸的邊緣存在剪切風(fēng)險(xiǎn)，因此這里提取了有限元節(jié)點(diǎn)解，Z向剪切力的應(yīng)力分布云圖參見(jiàn)圖。從圖中可以看出，最大軸向剪應(yīng)力為0.911873MPa，遠(yuǎn)小于PTFE材料的許用剪應(yīng)力2.5MPa，同時(shí)與前面改進(jìn)活塞環(huán)的軸向剪應(yīng)力的理論計(jì)算結(jié)果0.984MPa吻合較好，誤差不超過(guò)8%。
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