轴系扭转振动问题在往复式压缩机开发、研制过程中至关重要，一直是国内外研究的重点。本书主要介绍轴系扭转振动基础知识及分析方法、往复式压缩机轴系载荷计算、往复式压缩机轴系计算模型构建、往复式压缩机轴系临界转速计算、往复式压缩机轴系扭振计算等内容，也是作者从事该项研究20 年来的经验总结与成果体现。
本书内容翔实、通俗易懂，不仅适用于从事往复式旋转机械结构动力学及其相关技术研究的高等院校专业教师及研究生学习使用，也适合往复式压缩机产品设计制造企业的工程技术人员参考。

第1章 轴系扭转振动基础知识及分析方法 1
1.1有限单元法的基本概念 2
1.1.1弹性体的离散化 3
1.1.2单元分析 6
1.1.3结构动力学微分方程 8
1.2结构动力学微分方程的求解 10
1.2.1自由振动微分方程的求解 10
1.2.2强迫振动微分方程的求解 11
1.3往复式压缩机曲轴强度校核方法 12
1.3.1正应力、剪应力与三向应力之间的关系 13
1.3.2曲轴强度的校核 14
1.4ANSYS 软件功能简介 15
1.4.1ANSYS 软件的图形用户界面 16
1.4.2ANSYS 软件的结构分析模块 17
1.4.3ANSYS 软件的APDL 参数化设计语言 19
1.4.4ANSYS 软件的工作平面与坐标系 21

第2章 往复式压缩机轴系载荷计算 32
2.1机构运动学关系 34
2.2往复惯性质量等效 35
2.3综合活塞力的计算 37
2.4曲柄销上切向力和径向力的计算 39
2.5转矩的傅里叶分析 40

第3章 往复式压缩机轴系计算模型构建 42
3.1轴系扭振计算必备数据及其计算模型的等效 42
3.1.1往复式压缩机轴系扭振计算必备数据 42
3.1.2往复式压缩机轴系扭振计算模型的等效 43
3.2轴系几何建模 46
3.2.1轴系单元结构建模 48
3.2.2轴系几何模型的构建 71
3.2.3轴系几何模型的组合 76
3.3轴系有限元建模 83
3.3.1有限元模型单元类型的选择 84
3.3.2轴系材料属性的定义 84
3.3.3轴系有限元网格划分 89

第4章 往复式压缩机轴系临界转速计算 100
4.1轴系模态分析 101
4.1.1节点坐标系的转化及轴承约束的定义 101
4.1.2模态分析类型的选择及参数设定 111
4.1.3模态分析计算及计算结果的获取 114
4.2轴系临界转速计算 122
4.2.1临近额定转速范围的轴系共振分析 122
4.2.2特定转速范围的轴系共振分析 123

第5章 往复式压缩机轴系扭振计算 125
5.1轴系谐响应计算 125
5.1.1谐响应分析类型的选择及参数设定 126
5.1.2简谐转矩载荷的施加 128
5.1.3谐响应分析计算及计算结果的获取 133
5.1.4基于谐响应的不同谐次扭转载荷对轴系扭转共振的影响 138
5.2轴系瞬态响应计算 149
5.2.1时间历程载荷的计算 149
5.2.2瞬态响应分析类型的选择及参数设定 150
5.2.3时间历程载荷的施加 151
5.2.4瞬态响应节点位移分析及模态扩展 156
5.2.5瞬态响应分析计算结果的获取 159
5.2.6基于瞬态响应的不同谐次扭转载荷对轴系2 阶扭转共振的影响 162
5.3轴系静力学计算 166
5.3.1轴系静力学轴承约束及工作载荷的施加 167
5.3.2轴系静力学分析的设定 167
5.3.3静力学分析计算结果的获取 170
5.4轴系强度的校核 173
5.4.1基于静力学计算结果的轴系强度校核 173
5.4.2基于瞬态响应计算结果的轴系强度校核 176
5.4.3基于动力学特性优化的轴系强度校核 180
5.5工程案例 185
5.5.1工程概述 185
5.5.2基于静力学计算结果的轴系强度校核及模态分析 186
5.5.3基于动力学计算的轴系扭转振幅分析及强度校核 191

附录1轴系几何模型各参数文件ParGeo6M.mac 197
附录2轴系几何模型各单元体体号文件Par6Mv.mac 200
附录3轴系谐响应分析载荷文件Par6Mload_h.mac 202
附录4轴系瞬态响应分析载荷文件Par6Mload.mac 203

参考文献 214

21 世纪以来，我国能源结构发生了重大变化，作为石油化工行业核心动力设备的往复式压缩机取得了突飞猛进的发展。受各种因素的影响，在往复式压缩机向大型多列机组发展的过程中，轴系扭转振动分析技术研究进展缓慢，未能及时满足产品研发的需求。轴系扭转振动问题成为影响往复式压缩机向大型、多列等系列产品发展的最大瓶颈，也是当今多数压缩机生产制造厂家尽量回避选用多列机型的主要原因。
随着计算机技术的快速发展，多种大型通用有限元分析软件获得了广大工程技术人员的关注，其中，ANSYS 软件在机械结构动力学技术研究领域有着成熟的理论基础。往复式压缩机的轴系扭转振动是曲柄连杆机构固有的一种特性。广义上讲，轴系扭转振动是一种不可避免的现象，它包含了交变连杆力作用下轴系非共振状态的扭转振动问题及轴系共振状态下的扭转振动问题。其中，轴系共振状态下的扭转振动是人们更加关注的问题，也是本书重点研究的内容。
多年来，笔者针对我国6 列往复式压缩机研制初期出现的曲轴断裂、连杆大头烧瓦等问题，运用CAE 技术开展了大型往复式压缩机轴系扭转共振的研究，经过不懈的努力，并且在同行专家们的大力支持下，最终取得了系列研究成果。为了加快CAE 技术在轴系扭转振动计算中的推广应用，推进往复式压缩机向多列、高转速方向发展，我们编著了本书。本书不仅可以供从事往复式压缩机轴系扭转振动研究的广大读者参考使用，也可为其他相关领域的研究提供一定借鉴。书中所有关于轴系扭转振动的相关术语，均参照标准GB/T 15371《往复式内燃机曲轴轴系扭转振动评定方法》和JB/T 9759《内燃发电机组轴系扭转振动的限值及测量方法》。在本书的指引下，读者可以在较短时间内掌握往复式压缩机轴系扭转振动分析技术的精髓，系统地将该项技术应用到工程设计中。该研究成果可以为往复式压缩机新产品研制及往复式压缩机机组振动、烧瓦、曲轴扭转疲劳断裂等故障分析与问题处理提供方法和手段。此外，本书提供了详尽的操作步骤和程序源代码，详细介绍了往复式压缩机轴系模型构建、边界条件施加、求解模块设定等关键问题的解决方法，具有一定的通用性，读者可以便捷地将该分析方法应用到其他领域。
本书共分5 章：第1 章介绍了轴系扭转振动基础知识及分析方法，读者可以从理论方面对轴系扭转振动有更深刻的理解；第2 章介绍了往复式压缩机轴系载荷的计算方法，轴系载荷是进行往复式压缩机轴系扭转振动计算所必需的参数，轴系载荷计算是本书形成完整理论计算体系必不可少的组成部分；第3 章介绍了往复式压缩机轴系的建模方法，轴系计算模型构建的合理与否直接决定了分析结果的准确性；第4 章介绍了往复式压缩机轴系临界转速计算，包括轴系模态分析和轴系临界转速计算等；第5 章介绍了往复式压缩机轴系的谐响应分析、瞬态响应分析、静力学分析等分析方法，并全面分析了不同类型载荷对轴系振动的影响。
本书命令流可发邮件至zengjin_xu@ sut.edu.cn 获取。
本书由沈阳工业大学许增金、汤赫男、徐飞、王世杰，沈鼓集团股份有限公司杨树华和孟文惠共同完成。本书的编写得到了沈鼓集团股份有限公司吴丰、沈阳申元气体压缩机股份有限责任公司赵东升等专家学者以及压缩机行业同仁们的大力支持，在此表示感谢！于海龙、姬伟、王军红等研究生在文稿整理中做了大量工作，在此一并表示感谢！
在本书的编写过程中，笔者力求叙述准确、完善，但由于水平有限，不足之处在所难免，希望广大读者批评指正！

著者
2025年4月