1 引言

    簧片閥是冰箱壓縮機的重要部件，也是易損件，直接影響壓縮機的性能。如果對其設(shè)計不當，將會增大閥片疲勞斷裂的可能，從而導(dǎo)致壓縮機非正常停機、使用壽命降低等不良后果。因此，如何正確設(shè)計簧片閥，對于提高壓縮機使用壽命，避免非正常停機具有重要意義。

    目前，針對壓縮機簧片閥已經(jīng)開展了很多研究工作。王毅、譚偉華，給出了氣閥運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型[1]，何國庚、肖彪在此基礎(chǔ)之上又對簧片閥的結(jié)構(gòu)進行了部分優(yōu)化[2]。通過對已有研究工作的分析我們發(fā)現(xiàn)，針對簧片閥的設(shè)計理論還不完善，存在的主要問題是多數(shù)研究工作都是對簧片閥工作性能的研究，優(yōu)化設(shè)計只是針對單一參數(shù)分別進行優(yōu)化，還不能做到多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化。

    本文使用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH，對我公司某型號壓縮機吸氣閥片進行了較為全面的多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化設(shè)計。在獲得氣閥運動過程中的應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計，有效地降低了氣閥的工作應(yīng)力，提高了氣閥可靠性和安全性。采用文中的多目標、多參數(shù)同步優(yōu)化設(shè)計方法可以有效地縮短設(shè)計周期，對多目標和多參數(shù)零件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有普遍的指導(dǎo)意義。

2 基本原理與求解

    2.1 大變形單元剛度方程

    考慮到吸氣閥片工作狀態(tài)下的變形較大，排氣系統(tǒng)屬于大變形問題。整體結(jié)構(gòu)的非線性有限元剛度方程具有以下的形式：

    [K(u)]{U}={P}（1）

    從上式可以看出，在考慮大變形的條件下，剛度矩陣依賴于待求位移。在局部坐標系下，包括大變形的單元剛度方程為：

                                 

    式中，

                                    

    [K]e為單元剛度矩陣，[K0]e是小變形剛度矩陣，[Kσ]e是初應(yīng)力剛度矩陣，[Kl]e是大變形剛度矩陣。{p}e,{f}e,{r}e分別為等效節(jié)點載荷、單元所受到的節(jié)點力和初應(yīng)力節(jié)點力。由單元剛度矩陣經(jīng)坐標變換可以通過組集來建立整體結(jié)構(gòu)的剛度方程。

    2.2 目標函數(shù)和優(yōu)化設(shè)計變量

    根據(jù)壓縮機吸氣閥片的設(shè)計要求，選取四個目標函數(shù)，即：工作應(yīng)力最小、結(jié)構(gòu)應(yīng)變與變形最小，結(jié)構(gòu)反作用力適當。其表達式為：

                                           

    將優(yōu)化設(shè)計變量取為：

                                              

    其中：
    h—底圓圓心豎直方向高度
    t—最細截面1/2寬度
    α—閥片伸展角度
    r—最細截面過渡圓弧半徑
    R—底部圓弧半徑

    根據(jù)設(shè)計要求,確定的約束條件如下：

                         

    吸氣閥片的多目標多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計可表述為尋找滿足約束條件式（8）-（17）時式（4）-（6）的解。由于式（4）-（6）不能用函數(shù)表示，只能采用數(shù)值方法求解�？紤]到約束條件較多，文中通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的敏感性分析確定了2個對目標函數(shù)影響最大的參數(shù)。

3 模型與求解

    3.1 有限元建模與網(wǎng)格劃分

    打開Design Model，模型選用牛頓-毫米（N-mm）單位制。首先按照自底向上的方式創(chuàng)建1/2簧片閥模型，然后使用軸對稱命令，建立完整的閥片模型。最后，將(7)式中的優(yōu)化設(shè)計變量設(shè)置為優(yōu)化設(shè)計輸入?yún)��?shù)，見圖1。

                                                 圖1 吸氣簧片閥參數(shù)模型圖

    在Design Space下，設(shè)置材料參數(shù)彈性模量E=2.1*1011Pa,泊松比μ=0.3。共劃分3030個空間單元，如圖2所示。

             
                                                  圖2 吸氣簧片閥網(wǎng)格圖

    3.2 邊界條件及求解

    根據(jù)閥片的實際工作狀況，在吸氣閥片根部施加零位移約束，在閥片中心位置施加垂直于閥片的Z向位移。根據(jù)選取的目標函數(shù),將結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、總體變形設(shè)置為優(yōu)化設(shè)計響應(yīng)參數(shù)保存在Design Space中,同時考慮結(jié)構(gòu)反作用力對優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的響應(yīng)。

    在Design Xplore下，通過參數(shù)設(shè)置選項對輸入?yún)��?shù)進行賦值，創(chuàng)建驅(qū)動參數(shù)Stiffness,把它定義為結(jié)構(gòu)反作用力的目標函數(shù)。

4 敏感性分析與優(yōu)化結(jié)果分析

    目標函數(shù)對優(yōu)化設(shè)計變量的敏感度分析表明: 優(yōu)化設(shè)計變量t和α，即閥片最細截面寬度和閥片伸展角度兩個參數(shù)對目標函數(shù)的影響最大, 等效應(yīng)力敏感度的分析見圖3, 等效應(yīng)變的敏感度圖顯示（圖略），等效應(yīng)變受t和α的影響更大，但對r和R并不敏感。分析中通過定義反作用力與系統(tǒng)剛度的函數(shù)關(guān)系，研究了優(yōu)化設(shè)計參數(shù)對吸氣閥片整體剛度的影響。

                 
                                                         圖3 應(yīng)力敏感度圖

    圖4繪出了簧片閥最細截面寬度與應(yīng)力關(guān)系�？梢钥闯�，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力隨著t的增大而增大。為了降低氣閥的工作應(yīng)力，應(yīng)在考慮工藝條件允許的情況下，適當減小最細截面處的寬度。圖5則顯示了最細截面寬度與閥片伸展角度共同影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化關(guān)系。當t=1, α=9度時應(yīng)力最小，設(shè)計時應(yīng)盡量將上述兩個參數(shù)設(shè)置在這個值附近；而當t=1.2，α=9度時結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，設(shè)計時應(yīng)予以避免。

                                              圖4 最細截面寬度與應(yīng)力關(guān)系

    圖6反映了系統(tǒng)剛度的變化情況。最細截面寬度、閥片伸展角度是影響它的兩個重要因素。如果希望增大系統(tǒng)剛度，應(yīng)同時增大兩個參數(shù)的取值；如果希望獲得一個較低的系統(tǒng)剛度，應(yīng)盡量減小這兩個參數(shù)的取值。

            
                                圖5最細截面寬度-角度-應(yīng)力關(guān)系 圖6最細截面寬度-角度-剛度關(guān)系

    圖7反映了結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變隨著閥片伸展角度、底部圓弧半徑的改變而變化的趨勢。減小閥片伸展角度同時增大底部圓弧半徑有助于降低結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)變。

                    
                                圖7角度-底圓半徑-應(yīng)變關(guān)系 圖8. 方案B結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 簧片閥設(shè)計實例

    根據(jù)Design Xplore優(yōu)化設(shè)計要求[3]，將上述參數(shù)進行重新篩選組合，備選設(shè)計方案(表1),并對被選方案進行驗證。

                            

    通過對表1各候選方案的計算發(fā)現(xiàn),負壓風(fēng)機降溫方案，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計之后的吸氣簧片閥工作應(yīng)力明顯降低（表2）。綜合閥片剛度的設(shè)計要求，我們選擇了方案B作為最終設(shè)計方案。圖8為方案B經(jīng)Design Space綜合優(yōu)化設(shè)計后的等效應(yīng)力結(jié)果。應(yīng)力由原來的577MPa降低到532MPa，降低了7.8%。圖9為經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的壓縮機簧片閥實物圖，目前它已經(jīng)應(yīng)用于我公司新型號壓縮機的樣機制造。

                ,可以裝在屋頂?shù)娘L(fēng)機;        
                                                              圖9 優(yōu)化后的簧片閥

6 結(jié)論

    6.1使用Design Xplore對壓縮機吸氣簧片閥進行優(yōu)化設(shè)計可以有效地降低它的工作應(yīng)力，提高使用安全性。
    6.2采用文中的優(yōu)化設(shè)計方法可以有效地縮短簧片閥的設(shè)計周期，將原有的設(shè)計時間從4周縮短到3天，不僅提高了工作效率，而且避免了大量的重復(fù)勞動。
    6.3文中的優(yōu)化設(shè)計方法對多目標和多參數(shù)零件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有普遍的指導(dǎo)意義。

    中國風(fēng)機產(chǎn)業(yè)網(wǎng)  風(fēng)機類型有良多，在現(xiàn)今的市場中泛起了良多科技型的風(fēng)機類型，其中就包括了玻璃鋼風(fēng)機，那這種新型的風(fēng)機類型能在使用中為用戶帶來什么樣的效果呢？它在場所中能起到什么意義呢？良多用戶對選擇玻璃鋼風(fēng)機都非常質(zhì)疑，因此我們需要了解玻璃鋼風(fēng)機畢竟為什么能獲得那么多用戶的喜愛和認可。

    首先玻璃鋼風(fēng)機采用提高前輩最科學(xué)的變頻技術(shù)，我們都知道變頻技術(shù)的泛起，解決了良多能源鋪張的題目，為用戶帶來了很實際有用的效果，玻璃鋼風(fēng)機采用了這樣的技術(shù)，那么在節(jié)能性上就能起到很好的作用，為用戶節(jié)省一定的經(jīng)濟本錢。

    負壓風(fēng)機的電念頭是按照最大負荷期額定負荷選擇的，而工作時絕大部門不能滿載運行，電念頭工作于滿電壓、滿速度而負載很小，也會有良多時間空載運行，節(jié)電原理任何利用交流感應(yīng)電念頭作為電力傳動方式的出產(chǎn)機械，這種風(fēng)機很正視電機的節(jié)能性，所以玻璃鋼風(fēng)機無論在設(shè)計仍是制造上都本著節(jié)能性原則來完成的。

    負壓風(fēng)機的風(fēng)量為了能得到一個最佳的范圍，我們可以自行調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，風(fēng)量的調(diào)整方式主要采用檔板、風(fēng)門、回流、起停電機等方式控制，而采用變頻調(diào)速，改變風(fēng)機電念頭的輸入頻率從而改變電念頭、風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)空氣流量的目的，既知足出產(chǎn)工藝變化的要求，又節(jié)省電能。所以說負壓風(fēng)機之所以能得到用戶的信任都是由于這些上風(fēng)，為了能保持負壓風(fēng)機的持久效果，我們在使用風(fēng)機的過程中添加一些維護保養(yǎng)的方案,濕簾生產(chǎn)廠家，這樣就能讓風(fēng)機的效果更加有效。

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風(fēng)機銷售盡在
　近日，東方電氣首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的1.5MW直驅(qū)型風(fēng)電機組在內(nèi)蒙烏吉爾風(fēng)場成功帶負載100KW并網(wǎng)發(fā)電。烏吉爾首臺風(fēng)電的并網(wǎng)發(fā)電，標志著東方電氣直驅(qū)型風(fēng)電機組已正式打入市場，并成功邁入國內(nèi)大容量直驅(qū)型風(fēng)電制造商行列。

　　中投顧問高級研究員李勝茂指出，當前國內(nèi)主流風(fēng)電機組的單機容量即為1.5MW，但是這個級別的風(fēng)電機組又可分為雙饋式和直驅(qū)式兩種，而關(guān)于這兩種技術(shù)路線孰優(yōu)孰劣的問題，業(yè)界一直存在爭論。這之前東方電氣已經(jīng)能夠生產(chǎn)1.5MW，甚至更高級別的雙饋式風(fēng)電機組，此次其又成功將新研發(fā)出的直驅(qū)式風(fēng)電機組推向市場，實際上標志著東方電氣兼顧兩種技術(shù)路線的經(jīng)營戰(zhàn)略取得了初步成效。

　　李勝茂認為，雙饋式和直驅(qū)式的風(fēng)電機組各有優(yōu)劣，東方電氣采取雙管齊下的經(jīng)營思路，充分體現(xiàn)了其一貫穩(wěn)健的經(jīng)營風(fēng)格。一方面，盡管東方電氣在國內(nèi)風(fēng)機設(shè)備制造行業(yè)位于第一梯隊，但是其與華銳風(fēng)電和金風(fēng)科技兩家業(yè)界巨頭相比，不管是在產(chǎn)銷規(guī)模，還是技術(shù)研發(fā)實力方面都還存在不小的差距，而目前華銳風(fēng)電、金風(fēng)科技分別專注于雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)機的研發(fā)和生產(chǎn)，東方電氣采取“兩邊下注”的經(jīng)營戰(zhàn)略，實際上是一種差異化競爭策略，應(yīng)該說，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)扮演追趕者角色的企業(yè)時常運用該策略。

　　另一方面，從具體的技術(shù)特點來看，近年來興起的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的確有著許多優(yōu)點，市場前景非常廣闊。中投顧問最近發(fā)布的《2010-2016年中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預(yù)測報告》指出，由于直驅(qū)型風(fēng)電機組省去了常規(guī)風(fēng)機所必需的齒輪箱，而齒輪箱恰好是風(fēng)機設(shè)備中最容易損壞的零部件，所以直驅(qū)型風(fēng)機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、效率高、維護量低的優(yōu)點。需要特別指出的是，直驅(qū)式風(fēng)機低風(fēng)速運轉(zhuǎn)的性能較好，非常適合在國內(nèi)廣袤的三類風(fēng)區(qū)使用。

　　中投顧問研究總監(jiān)張硯霖指出，目前在國家相關(guān)部門主持召開的幾期風(fēng)電特許權(quán)招標會上，直驅(qū)式風(fēng)機和雙饋式風(fēng)機都有中標的記錄，這表明政府部門希望國內(nèi)風(fēng)機類型盡量多元化，風(fēng)電特許權(quán)招標工作會為兩種風(fēng)機技術(shù)的競爭提供一個平臺，而作為央企的東方電氣，領(lǐng)會了相關(guān)部門的這一戰(zhàn)略意圖，試圖在兩種技術(shù)路徑上都有所斬獲。

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