浙江大学学报工学版直联便携式空压机阀片有限元分析及拓扑优化钟美鹏郑水英。潘晓弘。浙江大学机械与能源工程学院。浙江杭州，17；1嘉兴学院机电分院。浙江嘉兴3141.1浙江大学化学机械研究所。浙江杭州3127压机排气阀片进行优化。根据排气阀片的拓扑优化结果，确定了排气阀片的结构参数，分析了排气阀片受力情况。
在此基础上，对排气阀片进行了ANSYS仿真，得到了排气阀片固有频率。通过排气阀片的模态仿真明。优化后的排气阀片固有频率远离其开启频率，不会产生共振。同时对优化后阀片的应力分布和位移分布进行了仿真。仿真结果明。优化后的阀片应力和整体变形趋势符合实际情况。建立了排气阀片的运动方程。并对阀片的运动规律进行了仿真分析，证明阀片的开启正常。
气阀是压缩机的关键部件之，也是*易损坏可靠性1.优良的气阀，既要有较长周期的使用寿等因素直接影响压缩机的排气量功率消耗及运转动阻力损失约为压缩机指功率的4，8，而反收稿日期2008 1208.浙江大学学报工学版网址评。0此3.2.，绠61基金项目浙江省科研工业资助项目2006，21049.，男，江西分宜人，博士生，从事机械制造研究。12，196叩5，爪通信联系人郑水英，女，教授。已舰121呢315呢2.6.0打之，其流动损失可高达指功率的1因此，要保证压缩机有较高的工作效率。必须减少气阀泄漏提高气阀密封性延长使用寿命。
高压直联便携式空气压缩机是种压缩机曲柄连杆机构与电机轴直接连接在起的高速轻便微型空气压缩机。其体积小重量轻便于携带，避免了联轴器的效率损失，提高了整机的效率，但由于压缩机体积的缩小。阀在满足性能的同时还要能承受高压。
因此对阀的设计提出了更高的要求。目前气阀的设计仍采用传统的类比和相似设计理论，未从根本上解决气阀的定量分析计算及设计问。致使部分压缩机气阀不适应工况变化的要求，导致工作可靠性差，工作寿命短。本文采用结构拓扑优化变密度法，对直联便携式空压机排气阀片进行优化，寻求种阀片设计的新方法。
1拓扑优化数学模型连续体拓扑优化方法主要有变厚度法变密度法和均勾化理论等3.变密度法。了边1如似1.1山属物理描述方式，其基本思想是人为地引入种假想的密度可变材料，材料物性参数如许用应力。弹性模量等与材料当量密度间的当量关系也是人为假定的。优化时以材料密度为拓扑设计变量。这样结构拓扑优化问就转换为材料的*优分布问4.
假定材料特性与其密度的非线性关系为度，下标，实际使用材料特性。指数变密度法的数学模型为构上的体积力和面积力，为给定初始结构材料质量的上限，加。为优化时指定去除材料的质量，为密度下限人为优化后单元密度保持不变的单元号。
排气阀片拓扑优化时，两固定螺栓孔。1和=全约束材料的尺=2.05710，泊松比3.1 2排气阀片受力分析排气阀片未开启时。排气阀片两面承受气体静压力。当排气阀片正面的气体压力略大于背面的气体压力时，排气阀片由静止开始运动，然后在两面的气体压力差作用下继续运动。作用于排气阀片上的气体压力可为位移时间有关；2，为反映气体力分布规律叫，为主轴的旋转角频率。在排气阀孔附近，可认为气缸内气体压力广为均匀分布气体压力差由下式确定气阀片两端的压力差和气体通过排气阀片的流动情况，用理论计算它十分困难，很多学者在这方面作了大量研究，在试验的基础上采用近似方法建立了气体力数学模型*大行程，义为曲柄角速度，为曲柄长，为连杆为拓扑优化结构。排气阀片的尺寸2，阀片厚度为0.；儿长度为排气阀孔等效作用力面积为气缸内瞬时气体质量为进气气体密度。〃为多变过程指数。，为进气气体压力，凡为排气气体压力。
按上述受力情况对排气阀片进行人57，仿真分析得到应力分布；和位移分布结果明，阀片的*大应力为6；109；小于阀片材料30以的屈服强度1.0807109受升程限制器的约束，阀层受力后的*大位移为。8.与实际情况相符。
放+，为质量矩阵为自然圆频率。
方程7的解即为空压机阀片的固有频率。
利用有限元软件83进行计算结果排气阀片前1阶固有频率分别为1阶为1柬12阶为1212出3阶为1 609出4阶为2237出计算时边界条件是两螺栓孔和；3个方向全约束。
5空压机排气阀片的1阶振型。空压机转速*大为2，1.那么阀的开启频率为33.3因此阀的开启频率小于阀的1阶固有频率。
31阶振型3排气阀片的模态分析模态分析用于确定结构或部件的振动特性比如固有频率和振型6可以分清在什么样的激振力动频率。使外激振动频率避开固有频率。避免发生该振型下的共振，有效减少振动值，通过模态分析可直观显空压机阀片的动态特性和薄弱环节，为阀片加工提供理论依据。对阀片模态分析进行有限元分析。得出空压机阀片前4阶固有频率。
空压机阀片总体自由振动方程以4阶振型4排气阀片的运动方程与仿真为了验证所得优化后气阀片的适用性，建立了排气阀片的运动方程。并用1软件进行数值计算。
排气过程中理想气体的流动微分方程式为工作容积。为排气阀瞬时有效阀隙面积，7，为排气腔内气体热力学温度。，为时间。
气阀片运动微分方程如下为阀片的有效受力面积。凡为阀片刚性系数。；为阀片位移。
若主轴旋转角速度频率叫为常数，微分方程中对气阀片运动微分方程和气体流经气阀片的流动微分方程联立求解，即可求得阀片运动规律，进而求得气缸内气体的状态参量。方程组的具体形式为卢夕九似，k与连杆长度之比。为余隙容积。
用，1.乙软件进行数值计算可得排气口开启面积。与主轴转角6关系可以看出排气阀片开启正常。
5结语了排气阀片的*优参数模型。对排气阀片建立了受力分析模型。并进行了人8仿真，得到了阀片的应力云和位移云，分析结果显，该方法能够准确地预测阀片在运动过程中的*大应力分布及危险截面。从而可优化阀片的形状。获得阀片局部应力集中*小的阀片形状。改善阀片的可靠性。对阀进行了模态分析，应用凡48分析得出阀片固有频率，仿真结果明。优化后的直联便携式空压机排气阀片究结果明优化后阀片的应力整体变形趋势和固有频率符合实际情况。说明了拓扑优化应用于阀片设计的有效性，探索了种阀片设计的新方法。
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对直联便携式空压机阀片进行拓扑优化，得出附录，6+又，又6又8，又2久5上接第2308页应济，李长勇。注塑机后模板顺序优化设计研究1.浙江大学学报工学版，2006，406937柯常忠，聂清风，倪小平，等。活塞压缩机气阀运动规律魏燕定，陈定中，程耀东。压电悬臂梁振动的模态控制崔志琴，杨瑞峰。复杂机械结构的参数化建模及模态分析幻。机械工程学报，2008，442234
