基于焊接变形有限元分析的空调压缩机结构优化

　　0 序 言

　　随着机电产业的迅猛发展，人们对空调压缩机性能的要求也越来越高. 作为空调机的核心部分—空调压缩机的制造工艺以及结构优化受到越来越多生产厂家的重视[1，2].利用有限元数值模拟技术，对产品制造过程中的焊接、热处理工艺以及结构优化等进行模拟计算已经成为一种有效的提高制造质量、效率并降低工艺成本的方法[3].近年来，有限元数值模拟技术在对焊接变形、残余应力进行预测以及结构工艺优化方面得到了广泛的应用.李鸿等人[4]对船体分段焊接过程中的焊接变形进行了研究，通过引入简化的弹-塑性分析杆-弹簧模型，对复杂的实际船体结构进行了有效的焊接变形预测.Mousavi 等人[5]利用弹塑性有限元法对304L 不锈钢 TIG 焊后残余应力分布进行了研究，分别对U 形坡口V 形坡口进行了计算，首次利用有限元法分析了TIG 焊中坡口形状对残余应力的影响.Bonorchis 等人[6]针对加筋板的破坏载荷阈值进行了试验和模拟研究，发现在特定的焊接参数下，加筋板的高度越大，则其破坏载荷阈值越低，在对加筋板进行合理的结构优化设计方面起到了理论依据的作用.

　　空调压缩机的焊接变形是影响其质量的一个重要因素，而焊接变形的主要来源是压缩机3 点焊及环焊后某些关键尺寸的变化，例如滑片槽宽度、气缸圆度及同轴度等. 文中先采用考虑相变的热弹塑性有限元法，对压缩机壳体与气缸的3 点焊过程进行模拟. 然后针对敏感性参数如壳体高度、气缸材料性能、气缸与壳体接触状态以及气缸结构对压缩机焊接变形的影响进行了计算和讨论. 为了提高计算效率，采用了基于热弹塑性有限元法的固有应变法进行结构优化的方法，该方法大大降低了计算时间[7，8]，同时又能保证计算的准确性.

　　1 空调压缩机有限元模型

　　1. 1 材料物理性能及计算条件

　　采用体热源和表面热源的混合热源进行3 点焊，试样初始温度和环境温度均为25 ℃. 焊接参数及材料密度见表1.Q235 材料弹性模量及屈服强度见图1a，热导率及比热容见图1b. 线膨胀系数为1.2×10^-5/℃ . 铸钢常温杨氏模量约为碳钢的0.8左右，比热容和热导率与碳钢接近.

　　1. 2 有限元网格划分

　　采用MARC软件，在联想1800工作站上进行计算. 采用8 节点六面体单元，单元总数为43 896，节点数为58278.点焊位置采用体热源加面热源的复合热源进行加热，更接近实际焊接过程. 有限元计算模型如图2 所示.

　　2 热弹塑性计算结果与分析

　　2. 1 槽宽变形结果

　　采用热弹塑性有限元法对影响压缩机变形的几个因素进行了探讨，分别是压缩机壳体高度、气缸材料性能、压缩机壳体与气缸接触状态以及气缸结构.图3 为不同参数情况下，3 点焊后气缸槽宽变化量.可以看出，压缩机壳体高度对槽宽变形影响并不明显.而当壳体与气缸完全接触时，槽宽变形得到了很好的控制.同时，当气缸采用铸钢材料时( 弹性模量约为低碳钢的0.8 左右) ，3 点焊后槽宽变形量相对气缸采用低碳钢时下降了2 μm 左右.不同参数下槽宽焊后平均变形如表2 所示. 其中，试验所用压缩机壳体高度为60 mm，气缸采用铸钢材料，壳体与气缸接触状态未知，3 点焊后槽宽变形为6.2 μm.