空壓機---有限元仿真壓縮機氣缸螺栓擰緊過程
1.氣缸的變形會影響壓縮機的性能，嚴重時會導致壓縮機堵轉。本文通過運用有限元仿真技術對旋轉式壓縮機泵體螺栓裝配變形進行模擬，以及試驗的對比驗證，確立了正確、可靠、有效的有限元仿真分析方法，從結構仿真分析、理論知識、試驗三方面檢討了螺栓裝配對泵體變形的影響，從而展現非線性有限元仿真技術在實際工程問題上的具體應用。
2 有限元分析
2.1 有限元模型
汽缸的變形不是由螺栓預緊力直接導致的，一部分是通過作用在缸蓋上的壓力傳遞到汽缸上，另一部分是由螺栓預緊力對汽缸螺栓孔內壁直接提拉作用產生的。所以分析的時候不能僅僅取汽缸進行有限元分析，需對裝配件整體進行非線性（接觸）靜力分析。接觸過程的數值模擬是當前有限元方法的研究和發展中所面臨的重要課題之一，在力學上涉及高度復雜的（材料、幾何、邊界）三重非線性問題。接觸過程有限元數值分析的核心內容由兩部分組成：一是接觸點對的搜尋，二是非線性方程本身的求解。接觸界面條件（不可貫入條件，法向接觸力為壓力的條件和切向摩擦力的條件）都是不等式約束，也稱之為單邊約束。利用拉格朗日乘子法或罰函數法將約束條件引入泛函的廣義變分原理，以及引入單元交界面上約束條件的修正變分原理。接觸面的范圍和接觸狀態是事先未知的，此特點決定了接觸問題需要采用試探--校核的迭代方法進行求解。時間步的大小是影響穩定性、精度和效率的最重要的求解參數。為了提高接觸分析結果的可靠性和有效性，在分析中需注意單元形式的選擇、接觸點對的搜尋、網格劃分、摩擦模型的規則化等方面的幾個問題。
2.2 邊界條件
由于擰緊螺栓時，汽缸是擱在工裝臺上的：裝上缸蓋時，汽缸腰型孔下端面擱在工裝臺上；相反，裝下缸蓋時，汽缸腰型孔上端面擱在工裝臺上。在分析中忽略了螺栓的安裝順序，認為汽缸的腰型孔上下端面是同時固定的，所以把氣缸腰型孔上下端面全約束。在螺栓上施加預緊力，使缸蓋被壓，氣缸被拉，從而達到擰緊目的。
2.4 計算結果
- 內徑變形量（μm） 端面變形量（μm） 葉片槽變形量（μm）
氣缸 0~1.3 0~1.2 0~1
2.5 結果分析
① 氣缸端面螺栓孔處在螺栓預緊力的拉力作用下會往外凸（A 處），變形量為0~1.2μm
② 汽缸內徑各截面變形不一，變形量為0~1.3μm，圓度變差（C 處）
③ 葉片槽變形（B 處），在葉片槽靠近汽缸內徑側以及在汽缸進氣口側變形最大，最大值1μm
氣缸和缸蓋接觸壓力云圖顯示：
① 氣缸端面螺栓孔周圍和缸蓋接觸緊密，這也說明氣缸在螺栓預緊力的作用下被拉，缸蓋被壓，從而達到擰緊的目的
② 氣缸端面螺栓孔周圍靠氣缸外徑的部分接觸壓力大于靠氣缸內徑的部分，這說明氣缸內徑在螺栓擰緊力作用下發生“坍塌”現象，接觸面積減小
3 實驗
3.1 氣缸和缸蓋接觸壓力測量
取上、下缸蓋和氣缸以及螺栓的裝配件進行螺栓擰緊實驗，在上缸蓋和氣缸中間墊一張壓力試紙，測量氣缸和缸蓋的接觸壓力，測量結果如下：
在壓力試紙上，紅色表示缸蓋和氣缸接觸壓力的大小，顏色越深表示接觸壓力越大，接觸的越緊密。在壓力試紙上，能清晰的看到紅色區域深淺不一，分布的區域也不同，表示缸蓋和氣缸在不同的區域接觸壓力不一樣，結合的緊密程度也不同，這和分析的結果是一致的。但受到壓力試紙的測量規格和對壓力的靈敏度的影響，我們不能很清楚的根據壓力顏色得到壓力的大小。
3.2氣缸變形測量
取上、下缸蓋和氣缸以及螺栓的裝配件進行螺栓擰緊實驗
用內徑千分尺測量氣缸內徑的變形值，在氣缸內徑表面上取3 個截面12 個點
用氣規測量葉片槽寬度的變形量，在葉片槽內表面上取3 個截面9 個點
詳細各測點位置示意圖見圖四。
試驗結果顯示：
① 汽缸內徑各截面變形不同，同一垂直方向上變形也不同，變形量為0~1.17μm。
② 葉片槽各截面變形不同，同一垂直方向上變形也不同，變形量為0.25~0.58μm，并且最大變形均發生在葉片槽靠近汽缸內徑側，說明葉片成錐狀變形。
運用有限元仿真分析技術，就螺栓擰緊力對汽缸變形的影響進行有限元仿真分析，并通過試驗進行驗證后，得到以下結論：
1) 根據有限元分析可知汽缸端面螺栓孔處在螺栓預緊力的拉力作用下會往外凸，變形量為0~1.2μm，由于試驗沒有測試這個值，所以不能比較。但從試驗壓力試紙的測試結果上，能清晰的看到紅色區域深淺不一，分布的區域也不同，表示缸蓋和汽缸在不同的區域接觸壓力不一樣，從側面表明汽缸端面在螺栓預緊力的作用下是凹凸不平的。
2) 從汽缸變形的分析結果云圖和試驗測試值表明汽缸內徑各截面變形不一，圓度變差。分析值最大變形為1.3μm，試驗測試值最大變形為1.17μm，誤差11%。
3) 從汽缸變形的分析結果云圖和試驗測試值表明葉片槽成錐狀變形。分析值最大變形為1μm，試驗測試值最大變形為0.58μm，誤差72%。這是由于在試驗結果處理中把變形值取平均值了，葉片槽的兩側變形并不一樣，葉片槽在進氣孔側變形相對較大，遠大于均值。
4) 從汽缸接觸壓力云圖和試驗壓力試紙的測試結果表明缸蓋和汽缸在不同的區域接觸壓力不一樣，結合的緊密程度也不同。
5) 對于這種力并不是直接施加在零部件上的分析，采用零部件的線性靜力分析并不合理，可以采用非線性靜力分析。
旋轉式壓縮機由活塞、氣缸、葉片及其背部的彈簧、偏心曲軸和上、下缸蓋等主要零件組成。氣缸內孔和活塞均呈圓形，氣缸上開有吸、排氣口。排氣口上裝有排氣閥，氣缸內裝有偏心曲軸，其旋轉中心與氣缸內孔的圓心重合，活塞安裝在曲軸偏心部上，使得活塞外表面與氣缸內表面相切，于是氣缸內表面與活塞外表面之間形成一個月牙形空間，它的兩端被上、下缸蓋封著，構成了壓縮機的工作腔。在氣缸的吸、排氣口之間開一個徑向槽，槽內裝有能來回滑動的葉片，葉片背部裝有彈簧，靠彈簧力將葉片緊緊壓在活塞外表面上，將月牙形空間分成兩部分：與吸氣口相通的部分稱為吸氣腔；在排氣口一側的部分稱為壓縮腔。當偏心曲軸由電機驅動繞氣缸中心連續旋轉時，吸氣腔、壓縮腔的容積周期變化，于是實現了吸氣、壓縮、排氣及余隙膨脹等工作過程。
氣缸是壓縮機的骨架，其上安裝著壓縮機的主要零部件。它支承著偏心曲軸轉動機構，保證運動件之間的準確相互位置；支承著上、下缸蓋等固定件，形成密封的高、低壓氣腔和氣流通道，組織工質的合理流動；承受著大小、方向不斷變化的氣體力、慣性力及其力矩的作用，為了完成上述功能，氣缸的設計必須合理，既要保證具有足夠的強度和剛度，又要盡可能減小其質量和整機尺寸。氣缸上加工有吸氣孔、排氣斜切口、葉片槽、彈簧安裝孔，以及固定上、下缸蓋的螺紋孔。
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