基于UG的空压机活塞设计及有限元分析

活塞是空气压缩机的关键零件，其作为空气压缩的主要执行元件已广泛应用于空压机行业。活塞的工作强度、刚度及可靠性关系着整机的运行寿命，一旦设计出现偏差，即会导致活塞破裂、拉伤及其它失效方式，严重的还将导致整机报废。

本文以V0.17/7型空气压缩机为例，充分利用UG设计系统，对活塞零件采取参数化设计，并通过UG/CAE模块就活塞的可靠性、安全性进行了有效分析。上述设计方法将缩短传统的设计周期，有效提高设计质量。

1活塞工作原理及结构整机的空气压缩机构采用曲柄滑块机构，带轮将电机的动能传递给曲轴，曲轴转动并驱动连杆工作，连杆的往复运动迫使位于空气压缩机构执行端的活塞沿气缸壁做往复直线运动。由于活塞的运动将引起气缸内空气的体积变化，当空气体积被压缩时，将产生强大压力。具体机构原理如所示。

活塞的基本结构形式有三种：圆盘形、圆柱形、圆筒形。本文V0.17/7型空气压缩机采用圆筒形结构，顶部为平顶。活塞头部开有三道槽，顶部两道为气环槽，底部道为油环槽，油环槽面上钻有多个径向孔，用以回流汽缸壁上刮下的油。具体结构如所示。

活塞工作原理图活塞零件活塞有限元分析2.1活塞建模及前处理利用UG构建活塞三维几何模型。考虑到塞体的部分特征结构对整体分析结果影响不大，同时为了提升网格划分质量和运算效率，故对相关特征做了抑制处理。优化后的模型如所示。

2.2材料属性设定及网格划分基金项目：衢州学院院级基金（KZY1207）；衢州市科技局项目（20121048）2.3边界条件设定及求解当曲轴运行至平衡位置时，活塞上升至*高点，此时气体体积被压缩至*小，活塞所受压力*大，故活塞载荷取该值为宜。根据压缩机设计公式算得活塞所受*大压力为0.8MPa.在曲轴平衡状态下，活塞与活塞销无相对转动，活塞固定在活塞销上，因此在约束条件中可设定活塞与销的接触面为固定约束，以限定此处的自由度。

通过NASTRAN解算器对设定条件进行后处理，得到相应的应力应变图。如、所示。由图可知，活塞所受的*大应力为27.28Mpa，*大位移达到0.00716mm.其*大应力集中在活塞内侧加强筋拐角处，*大位移发生在活塞顶部中心位置处。

有限元位移。4强度校核及结构优化T6工艺后的ZL104屈服强度经试验后测得为276Mpa，取安全系数11=2，则材料的许用应力=s/n=276/2=138Mpa.由于活塞所受*大应力=27.28Mpa，该值远小于需用应力，因此活塞强度完全符合设计要求。活塞的*大位移为0.00716mm，该变形量远低于许用变形量0.0125mm，因此刚度也符合设计要求。

通过有限元分析计算，针对活塞加强筋的直角过度设计可修整为圆弧过度，以减少应力过度集中。改单加强筋为十字型加强筋，可有效减小活塞顶部的变形，提高活塞的顶部强度和刚度。

3结论1）基于有限元法的活塞参数化设计，其设计方法更为灵活，修改校验也极其简便。

理化、可靠性提供了新的途径。有限元分析模块的使用，大大节省设计、校核时间，降低了生产成本。

3）针对有限元分析的薄弱部位，设计人员可快速、有效的提出改进方案，确保了零件的可靠性。目前，该活塞已应用投产本V0.17/7型空压设备，运行效果良好。