摘 要

往复式空气压缩机作为船舶重要的辅机设备，为船舶启动空气系统和控制空气系统输送高压空气。往复式空压机在工作运行时，曲轴在原动机的带动下做周期性的回转运动，其在曲轴箱内部产生的不平衡惯性力和力矩会导致曲轴箱的一系列振动和噪声，这不仅影响了空压机的运行性能，降低它的可靠性。也会影响船舶其他设备运行，另外，振动所产生的噪声对人员的身心健康造成危害。因此，开展空压机曲轴箱振动特性的研究，寻求合理的减振降噪方法，具有重要的理论意义和工程实用价值。

本文主要研究工作及取得的结论如下：

（1）曲轴箱有限元模型的建立。首先参考空压机曲轴箱的基础参数，经过合理简化，利用三维建模软件Solidworks建立了曲轴箱的几何模型。在此基础上，探讨了有限单元的尺寸及类型等因素对有限元模型的精度影响，确定了合理的单元类型及尺寸，建立了曲轴箱有限元动力学模型。

（2）曲轴箱有限元模态分析。基于有限元法，采用有限元分析软件ANSYS Workbench对曲轴箱进行了自由模态分析及约束模态分析，揭示了曲轴箱固有频率与激励频率间的关系，为进一步研究曲轴箱的振动特性及减振降噪打下基础。

（3）曲轴箱谐响应分析。为了研究曲轴箱在外界激振力的作用下的振动响应，采用模态叠加法分析了曲轴箱在外界正弦载荷时的稳态受迫响应，揭示了曲轴箱的谐响应特性，为其低振动设计提供了一定的参考。

关键词：空压机曲轴箱；有限元；模态分析；谐响应分析；振动

Abstract

Reciprocating air compressors, as important auxiliary equipment for ships, deliver high-pressure air for ships to start air systems and control air systems. When the reciprocating air compressor is in operation, the crankshaft is periodically rotated by the prime mover. The unbalanced inertial force and torque generated in the crankcase will cause a series of vibration and noise in the crankcase, which not only affects It improves the operating performance of the air compressor and reduces its reliability. It will also affect the operation of other equipment of the ship. In addition, the noise generated by the vibration will cause harm to the physical and mental health of the personnel. Therefore, it is of great theoretical significance and practical engineering value to carry out research on the vibration characteristics of the air compressor crankcase and to seek a reasonable method of vibration and noise reduction.

The main research work and conclusions of this article are as follows:

(1) Establishment of crankcase finite element model. First, referring to the basic parameters of the crankcase of the air compressor, after a reasonable simplification, the geometric model of the crankcase was established using the three-dimensional modeling software Solidworks. On this basis, the influence of factors such as the size and type of finite elements on the accuracy of the finite element model is discussed, a reasonable element type and size are determined, and a finite element dynamic model of the crankcase is established.

(2) Finite element modal analysis of crankcase. Based on the finite element method, the finite element analysis software ANSYS Workbench was used to perform free modal analysis and constrained modal analysis on the crankcase. Vibration and noise reduction laid the foundation.

(3) Analysis of crankcase harmonic response. In order to study the vibration response of the crankcase under the external excitation force, the modal superposition method is used to analyze the steady-state forced response of the crankcase under the external sinusoidal load, revealing the harmonic response characteristics of the crankcase, which is its low vibration The design provides a certain reference.

Key words：Air Compressor Crankcase; Finite Element; Modal Analysis; Harmonic Response Analysis; Vibration

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内外压缩机发展状况 1

1.2.2空压机振动研究现状 2

1.3技术方案 2

1.4本章小结 3

第2章有限元理论和ANSYS Workbench的简介 4

2.1有限元法 4

2.1.1有限元法的发展 4

2.1.2有限元法的应用 5

2.1.3有限元分析基本步骤 5

2.2 ANSYS Workbench 7

2.2.1软件特点 7

2.2.2分析过程 8

2.3本章小结 9

第3章曲轴箱有限元模型的建立与模态分析 10

3.1曲轴箱的建模 10

3.1.1Solidworks软件简介 10

3.1.2模型的建立 10

3.2 模态分析理论 11

3.2.1 模态分析的概念 11

3.2.2模态分析的基本理论 12

3. 3曲轴箱的模态分析 13

3.3.1设定材料参数 13

3.3.2网格单元属性 13

3.3.3曲轴箱自由模态、约束模态分析 15

3.3.4曲轴箱模态分析结果评价 18

3.4本章小结 19

第4章 曲轴箱谐响应分析 20

4.1谐响应分析用途 20

4.3 曲轴箱谐响应分析结果 20

4.3本章小结 24

第5章结论及展望 25

5.1结论 25

5.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

空压机是一种将气体进行压缩,并把其压力提高的通用机械。在现代工业生产各个领域的应用非常广泛。如船舶行业，空压机作为重要的辅助机械，是压缩空气系统中的主体，主要为船舶柴油机启动与换向提供高压空气。它主要由曲柄连杆机构组成，是典型的往复式机械装置，此装置的工作原理是将原动机的机械能通过曲轴的回转运动转换为气体压力能。其工作特点是周期性的压排气体，不断将回转机械能转换为空气的压力能，正是由于压缩机吸、排气的周期性，空压机的缸套和轴承则会承受交变的载荷，这是诱发空压机机体振动的主要激励。所以在其实际工作过程中产生的振动是难以避免的。机体的振动在空气中会产生噪音，会引起周围甲板和其他设备的振动。当机体的振动比较强烈时，就会给工作人员和设备造成较大的危害：影响船员的身心健康，机体结构产生疲劳破坏，机体连接部位松动，周围的仪器仪表失真。曲轴箱是往复式压缩机的重要组成部分，是承载曲轴系统的关键部件，并且与地基相连，起到固定和支撑的作用。所以，曲轴箱的振动特性是整个机器振动的重要组成部分。因此，对往复式压缩机曲轴箱进行振动特性分析，分析其振动规律，并针对其振动特性采取针对性的控制措施，使往复式压缩机曲轴箱的振动在可控范围之内具有重要的意义^[1]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外压缩机发展状况

国内压缩机的出现源自矿山开采的需要。初期使用的产品主要是通过仿制压缩机行业先进国家的产品^[2]。随着空压机在各行各业越来越多的应用，加之迫于国外的技术封锁，高校压缩机专业在此背景下应运而生，这一举措为生产制造空压机的工厂企业输送了大量的人才，填补了空压机行业缺乏专业人才的空白。我国空压机的发展就是我国工业发展的缩影，尽管起步晚，但在经过半个世纪的发展后，已经取得了长足的进步，现如今已经能够自主制造研发相当多种类的空压机了，实现了空压机的国产化，国产化带来的福祉是空压机的普及，在众多生产岗位上都得到了应用。不仅提高了工业生产效率，也方便了民众的衣食住行。从最开始的仿制到如今的自主研发，我国压缩机行业已经逐渐有了自己的技术储备，甚至在一些领域与发达国家企业进行了联合研发，体现了我国压缩机行业的巨大进步^[3]。

国外在空压机研发方面，从第一台空压机诞生至今，欧美发达国家空压机技术已经沉淀了近两个世纪，涌现了一批实力雄厚的压缩机制造企业，如美国兰德公司、德国西门子公司等。他们现在主要向空压机技术难度大、性能水平高的方向发展，而将比较落后的空压机生产放在发展中国家，从而获取最高的利润，抢占了很大的市场份额。

1.2.2空压机振动研究现状

随着计算机技术的快速发展，空压机的设计改进也有了很大的进步，计算机数理模型这一现代设计方法逐渐替代了“设计—样机—试验—修改”的经验设计方法，这不仅能够提前知道产品的性能和缺陷，还极大的降低了设计开发时间和成本。与此同时，机械振动的危害被人们重视起来，越来越多的学者研究了机械振动，以及振动引起的一系列其他问题，近30年来，人们对于往复式压缩机出现的振动问题进行了很多研究，尤其是计算机性能的提高和有限元方法的应用，为理论分析提供了非常有效的手段^[4]。