随着天然气开采的快速发展,国内对油气田用的高速大功率往复式天然气压缩机的需求越来越大,而相关单位在这方面的研究起步较晚,目前所设计制造的产品与国外相比还存在一定的差距。国产往复式压缩机的功率、工作压力存在不足,投入使用的寿命较短,易损件较多,阻碍了国内油气田的发展。作为天然气生产中至关重要的装备,往复式压缩机性能的优劣对天然气的产量具有重大影响,因此提升国产往复式压缩机的研究设计水平,增强设备的质量和性能,对国内天然气行业的发展具有重要意义。本文以一种高速大功率往复式天然气压缩机的主机为研究对象,对其进行了自顶向下设计和仿真研究,具体内容和研究成果有以下几个方面。(1)在Creo软件中主要利用自顶向下的设计方法对该型往复式压缩机进行参数化设计,通过概念设计、骨架模型设计、组装设计等自顶向下设计流程完成了压缩机的模型设计,实现了顶层设计信息控制底层三维模型,使设计参数的变动能够快速反映到模型上,模型的修改变得方便快捷,提高了压缩机的设计效率。(2)利用Mathcad与Creo无缝集成来进行了往复式压缩机设计参数的计算和传递,将初始设计参数迅速而准确地转化为了模型主要几何尺寸,并驱动了模型几何的更新,快速地得到了当前设计参数下的模型,这进一步提高了设计效率(3)在AMESim软件中建立了往复式压缩机的曲轴系、气缸、气阀的1D仿真模型,并组合搭建了压缩机的1D模型,仿真分析了缸内气体特性,将仿真得到的气缸轴侧和盖侧的气体压力曲线,与理论计算进行了对比分析,验证了其准确性。(4)在Motion软件中建立了往复式压缩机的多刚体动力学模型,并基于AMESim1D和Motion 3D联合仿真的方法,对往复式压缩机曲轴系进行了动力学仿真分析,得到了活塞的运动规律以及压缩机上侧向力、曲柄销受力、主轴颈受力等主要动态作用力的变化规律。(5)对曲轴柔性化的往复式压缩机进行了刚柔耦合动力学仿真分析,得到了曲轴的固有特性,表明了曲轴输入端固有振幅最大。通过将刚柔耦合动力学仿真结果与刚体动力学仿真结果对比分析,发现曲轴柔性化之后能够更加真实地反映出曲轴系的动态特性。对曲轴进行应力分析表明了曲轴上的最大应力处位于压缩机第6列对应的曲柄销的右侧过渡圆角处,再通过增大圆角半径5mm后,最大应力降低了17.1%。(6)基于往复式压缩机曲轴系的刚柔耦合动力学仿真分析,对曲轴的扭振响应进行了研究,仿真得出了曲轴上的最大扭转角为1.3°,位于输入端处,该扭转角不大,对压缩机的危害较小。再通过对扭振曲线进行频域响应分析,发现6谐次的激振引起的扭转角最大,为0.306°,其次是2、3谐次。又对不同长度的输入端对曲轴扭振的影响进行分析,发现输入端长度为350mm左右时,输入端的扭振幅值达到了最小值1.084°。