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往复式压缩机广泛地应用于石油、化工行业。往复压缩机的核心部件——曲轴在运转过程承受着复杂的周期性变化载荷,极易发生扭转共振,导致曲轴发生断裂破坏等问题,解决这些问题是压缩机整体设计中的关键。特别是随着企业产能的扩大,往复式压缩机技术正快速地朝着大型、多列、高转速方向发展,对曲轴的技术要求越来越高。在大型、多列、高速往复压缩机的设计过程中,对曲轴进行扭振分析研究和结构优化具有重要的实用价值。本文以8M80对称全平衡高转速往复式压缩机曲轴为研究对象,基于有限元理论,应用ANSYS Workbench软件对其进行扭振分析研究。首先以施加单一载荷和载荷步形式的载荷分别对曲轴进行静力学分析并对曲轴进行强度校核。结果表明,以载荷步文件形式施加的载荷更符合曲轴实际工况。对曲轴进行模态分析,得出曲轴的前十阶固有频率和模态振型并对模态分析结果进行对比,确定曲轴发生扭转振动的阶次及基频倍数,为动态响应分析提供理论基础。采用模态叠加法对曲轴进行谐响应分析,并根据分析结果计算各阶简谐载荷对曲轴共振的影响程度。研究表明,在额定转速范围内曲轴发生扭转共振,不会发生弯曲及横向振动;大型往复式压缩机曲轴的动力学分析只需考虑一阶扭振的固有频率。在扭振分析的基础上,对曲轴结构进行优化。基于田口设计法,采用Minitab软件对多个曲轴结构设计变量进行筛选,得出3个对曲轴强度及扭转角位移影响显著的设计变量;基于Box-Behnken试验设计,采用Minitab软件以提高曲轴的强度及振动性能的优化目标对影响显著的设计变量进行优化分析。分析结果表明,优化后的曲轴所承受的周期峰值应力和自由端扭转角位移较优化前的曲轴分别下降了23.25%和25.36%。研究结果表明,在扭振分析的基础上,利用田口设计法和Box-Behnken试验设计能有效地降低曲轴在运转过程中的峰值应力及扭转角位移,从而达到提高曲轴强度和改善曲轴的振动性能的优化目的。研究成果为大型往复式压缩机的设计与优化提供了一定的参考。