車用渦輪增壓器渦輪葉輪減重結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、上海：年月中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集車用渦輪增壓器渦輪葉輪減重結(jié)構(gòu)優(yōu)化趙俊生，馬朝臣，胡遼平（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京；湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，衡陽）摘要：以車用增壓器渦輪葉輪為研究對(duì)象，基于最優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理，在不改變?nèi)~型及流道并保證渦輪葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊及語言編制用戶程序，以渦輪葉輪重量最小為目標(biāo)對(duì)增壓器渦輪葉輪進(jìn)行了減重結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上考慮渦輪葉輪鑄造和裝配工藝等因素，確定了新型的減重渦輪葉輪結(jié)構(gòu)。使得渦輪葉輪重量減少了。優(yōu)化后的渦輪葉輪結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省了材料的消耗，同時(shí)使得渦輪增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配進(jìn)一步趨于合理，有助于提高增壓器軸系的機(jī)械效率和可靠

2、性。強(qiáng)度校核及壽命分析表明，優(yōu)化結(jié)果滿足使用要求。為增壓器的實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：有限元法；渦輪葉輪；參數(shù)化建模；結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善渦輪葉輪與壓氣機(jī)葉引言由渦輪葉輪和壓氣機(jī)葉輪組成的轉(zhuǎn)子是渦輪輪的質(zhì)量分配，提高增壓器軸系的機(jī)械效率，從而利于提高增壓器軸系的效率和可靠性。增壓器的核心零部件。前期的數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)表明渦輪葉輪的強(qiáng)度儲(chǔ)備大大高于壓氣機(jī)葉輪的強(qiáng)度儲(chǔ)備。而渦輪葉輪材料使用昂貴的鎳基鑄造合金，價(jià)格高。同時(shí)由于這種材料的密度大大高于壓氣機(jī)葉輪的密度。使得渦輪葉輪與壓基于的渦輪葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化渦輪葉輪有限元模型的建立增壓器渦輪葉輪工作狀態(tài)受力情況非常復(fù)雜，但主要是高速旋

3、轉(zhuǎn)的離心力。由于相對(duì)整個(gè)渦輪葉輪來說，輪轂直徑較小。盤體溫差不大。因此計(jì)算破裂轉(zhuǎn)速時(shí)，忽略溫差應(yīng)力的影響。只考慮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力的作用。渦輪葉輪最大直徑為。壓氣機(jī)葉輪最大直徑為。渦輪葉輪所用材料為鑄造合金，其機(jī)械性能參數(shù)嘲見表。優(yōu)化時(shí)所受載荷為工程要求的最低破裂轉(zhuǎn)速。對(duì)于該型號(hào)的增壓器，其標(biāo)定轉(zhuǎn)速為氣機(jī)葉輪組成的增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配很不均勻。渦輪葉輪重量是壓氣機(jī)葉輪重量的倍增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配不夠合理。因此。對(duì)渦輪葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、適當(dāng)減輕轉(zhuǎn)子的重量是非常必要的。達(dá)到減少其重量、節(jié)約成本、改善轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分配的目的。目前常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中較實(shí)用的是優(yōu)化準(zhǔn)則法與大型有限元分析程序的軟件集成化閣。

4、系統(tǒng)在機(jī)械、土木和航空航天等領(lǐng)域有著一最高可達(dá)。國內(nèi)渦輪葉輪安全因數(shù)廣泛和良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，語言為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值分析提供了一個(gè)很好的開發(fā)環(huán)境【，田。本文基于語言，利用的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊編制用戶程序并結(jié)合軟件。對(duì)湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司的增壓器零部件渦輪葉輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不改變?nèi)~型及流道并保證增壓器性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上有效地減輕渦輪葉輪重量，減少了材料的消耗。達(dá)到節(jié)約成本提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。力圖盡可能地降低增范圍為，因此本文在優(yōu)化時(shí)取最高轉(zhuǎn)速的倍（即一）作為渦輪葉輪的所受載荷進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。從增壓器渦輪葉輪幾何模型可知。增壓器渦表渦輪葉輪機(jī)械性能參數(shù)（。）江一×腳作者簡(jiǎn)介：趙俊生

5、（一），男，博士研究生；研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)及可靠性。：肖接空濾論輪輪刈斷結(jié)構(gòu)都睢掉復(fù)雜萁結(jié)構(gòu)具有周期對(duì)稱睦，承受的載荷和約求也聵有持瑚對(duì)稱性。為減少掉的作竹和叫問充分利用渦輪引輪周期對(duì)楠，結(jié)構(gòu)柏特點(diǎn)、以竹省計(jì)算贅繇和計(jì)算時(shí)間為保滿艷叫根處莽值的準(zhǔn)確，用半徑勻的吲牲訊將渦輪葉輪分為廁部分包古葉片部分如；建夔導(dǎo)八其雜部分為優(yōu)化部分存中州建模，優(yōu)化的有限元掉模刪來川一周期，啦冗選取為維等參單元朗自嘲格劃分【如閣所小番譬豺輪減重結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：艷背摩擦焊端施加軸向約求并施由盱離心侖繇凈型棒拽荷矧?yàn)閿U(kuò)催霹的描輪州輪有限元嘲格嘲優(yōu)化結(jié)構(gòu)廈變最示意圖優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件選擇為整個(gè)模型的最大

6、等效應(yīng)力應(yīng)力（即最大應(yīng)力）作為約柬?xiàng)l件。眥渦輪葉輪的重量最小為目標(biāo)函數(shù)。渦輪葉目標(biāo)函數(shù)：阢伍）斗。設(shè)計(jì)變量：哺狀志童毽：媳一希，表示渦輪叫輪的蕾鼙優(yōu)化結(jié)果與分析本問題采川一階優(yōu)化方法將日杯函數(shù)的允許誤差定為共進(jìn)軒扶優(yōu)化循環(huán)，迭代后由于滿足收斂條件而退出，加上初值拱教得組數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)糶見裊（【州部分）為蛀優(yōu)維數(shù)據(jù)、輪輪礦雕仃限兀同格掛型表月輪葉耗優(yōu)化目標(biāo)值與變量值的優(yōu)化結(jié)果渦輪葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型弓膳到增肛器嚏能眭渦輪葉輪軸的峰擦焊三結(jié)構(gòu)優(yōu)化保留】刈肛洫道結(jié)蜘小變只能叫圳端軸處持優(yōu)化扦一抖優(yōu)化的葬表明，粕輪葉輪軸一處兀偽督鹱鰱小聞此采用掉渦輪川輪裴蚍的外一、山許向軸州迸的方策好憂他們泣墅毓知斫優(yōu)

7、化時(shí)列執(zhí)表吖然分析得到的最優(yōu)組數(shù)據(jù)的約柬?xiàng)l件鞘超過最大崔被認(rèn)為，取，但一狀遺代就被認(rèn)為不可這主要是受到精度的限制陽勾！【果糖度受求過高汁尊，問會(huì)越長(zhǎng)同時(shí)南于辱慮刮結(jié)托的媳質(zhì)邕受最小使得規(guī)定的位移：限值偏小所以約求條件艟亢值才會(huì)越過飯限：是從表“霸刮陳第組數(shù)據(jù)外各約艇奪心州和群腰進(jìn)稈艟優(yōu)化譴，生優(yōu)化沒姐】定滿魁±定強(qiáng)旦：條”，的巧，韌值分別為，。小柏受化范閉分制擅：，），描輪時(shí)輪艘裂轉(zhuǎn)進(jìn)的數(shù)倩舒析裘明枉不矧離力作用，禺輪葉輪的照上鋒效卅均發(fā)在口根處嘶軸?？變簠?shù)的：；小臺(tái)引起輪艘的皇，避”，樅健的，全膨桐聞此上海：年月中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集選代歌圖目標(biāo)函數(shù)收斂過程圖設(shè)計(jì)變量

8、收斂過程目標(biāo)函數(shù)收斂情況如圖所示。圖為優(yōu)化由上圖渦輪葉輪的重量的變化曲線可以看出，優(yōu)化次數(shù)在第次時(shí)優(yōu)化對(duì)象數(shù)據(jù)的值已基咖：，咧。嘲姍螄啪螄¨“糾矗代次羹圖約束變量隨迭代次數(shù)的變化過程強(qiáng)度校核前述優(yōu)化時(shí)取最高轉(zhuǎn)速一的倍（即）作為渦輪葉輪的所受載荷，按照破裂準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，因此還需對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核和壽命分析。對(duì)減重優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)在最大標(biāo)定轉(zhuǎn)速一工況下，計(jì)算了渦輪葉輪的應(yīng)力分布狀況。計(jì)算結(jié)果表明在轉(zhuǎn)速下優(yōu)化前后的渦輪葉輪應(yīng)力分布基本一致，最大等效應(yīng)力均發(fā)生在葉根處。且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力分別為、。所不同的是優(yōu)化后的渦輪葉輪在減重孔軸心處應(yīng)力較優(yōu)化前增大僅為由于該

9、處為球面。因此并未出現(xiàn)應(yīng)力集中。計(jì)算所得最大等效應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)見表。其中名義應(yīng)力是與最大等效應(yīng)力等半徑的所有節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的平均值。表優(yōu)化前后最大等效應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)結(jié)構(gòu)。足優(yōu)化前優(yōu)化后在工作轉(zhuǎn)速。的條件下，安全系數(shù)用屈服強(qiáng)度計(jì)算，仉何。（為屈服強(qiáng)度，為最大等效應(yīng)力），優(yōu)化前后的渦輪葉輪安全系數(shù)分別為和。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的渦輪葉輪最大等效應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度。由于其重量減輕引起應(yīng)力水平的改善，可以抵消其絕對(duì)強(qiáng)度的不足，減重優(yōu)化后的渦輪葉輪在強(qiáng)度性能上可以滿足要求。壽命分析在最大標(biāo)定轉(zhuǎn)速的條件下。渦輪葉輪為有限壽命設(shè)計(jì)，疲勞失效分析的安全因子為婀”墮彘式中占為尺寸因素，口為表面質(zhì)量因素，。為

10、疲勞強(qiáng)度，為有效應(yīng)力集中系數(shù)，為最大等效應(yīng)力，為材料常數(shù)，為疲勞強(qiáng)度應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，。為設(shè)計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。對(duì)于減重優(yōu)化前后渦輪葉輪，、口、以。、均相同，假設(shè)和相同，則據(jù)疲勞失效安全因子表達(dá)式及表數(shù)據(jù)，可得到優(yōu)化后渦輪葉輪疲勞失效安全因子，與原結(jié)構(gòu)相比，減重優(yōu)化后的渦輪葉輪疲勞失效安全因子僅降低了。表明減重優(yōu)化結(jié)果滿足疲勞壽命的使用要求。柬?xiàng)l件都滿足了設(shè)計(jì)要求，所以整個(gè)優(yōu)化分析計(jì)算是合理的。變量、隨迭代次數(shù)的變化過程。圖為約束變量隨迭代次數(shù)的變化過程。本穩(wěn)定。由圖當(dāng)量應(yīng)力隨迭代次數(shù)的變化情況可以看出，按最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)的渦輪葉輪當(dāng)量應(yīng)力為，小于給定的約束值?？芍?dāng)量應(yīng)力基本為恒值，趨于穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)

11、可取第組數(shù)據(jù)作為最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。減重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及壽命分析宣讀交流論文渦輪葉輪減重方案的最終確定結(jié)論從優(yōu)化結(jié)果可得到設(shè)計(jì)參數(shù)隨最大當(dāng)量應(yīng)力變化曲線如圖所示，圖為最大當(dāng)量應(yīng)力隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化曲線。從圖、圖設(shè)計(jì)參數(shù)、隨最大當(dāng)量應(yīng)力變化曲線可知。設(shè)計(jì)變量達(dá)到給定約束的上限值而設(shè)計(jì)變量對(duì)約束條件較為敏感，最優(yōu)值為。繼續(xù)增大將引起葉根處等效應(yīng)力的增大而超過約束值。表列出了渦輪葉：啪啪呦螄啪螂一”拍，一腳圖最大當(dāng)量應(yīng)力隨設(shè)計(jì)變量變化過程：廠一。啪啪螂螂螄喲。朋，站馳塒皤御卯設(shè)計(jì)蔓上，圖最大當(dāng)量應(yīng)力隨設(shè)計(jì)參數(shù)變化過程輪最優(yōu)化結(jié)果及調(diào)整方案。并作為減重優(yōu)化后渦輪葉輪鑄造的依據(jù)?？紤]到配需要在優(yōu)化方案中將凹孔外端

12、改為內(nèi)六方。同時(shí)為了滿足渦輪葉輪動(dòng)平衡時(shí)的去重需要。將設(shè)計(jì)參數(shù)由最優(yōu)值減小為結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。最終方案使得渦輪葉輪重量由原來的減小到，減小了。且對(duì)渦輪葉輪的鑄造工藝改動(dòng)不大，有利于工程實(shí)際的應(yīng)用。裹渦輪葉輪優(yōu)化方案最終結(jié)果變量初擅下硪結(jié)集位上碾位收斂容差量?jī)?yōu)螺圓蔓量終方案礦豁倒，工（）將有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法相結(jié)合，是增壓器零部件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要途徑。本文中的優(yōu)化對(duì)象為較小型號(hào)的渦輪葉輪，優(yōu)化的最后方案使得渦輪葉輪重量減少了，節(jié)省材料刪力丐胬寺！圖渦輪葉輪減重結(jié)構(gòu)最終方案。對(duì)于其它不同型號(hào)的渦輪葉輪，節(jié)省材料的效果將會(huì)更加明顯，從而有效地節(jié)省材料，降低成本。具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。（）渦輪葉輪重量的降低減少了渦輪葉輪與壓氣機(jī)葉輪的重量差，改善了渦輪葉輪與壓氣機(jī)質(zhì)量分配，有利于提高增壓器軸系的效率和可靠性。（）渦輪葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從降低到減少了。效果不是很明顯。基于的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時(shí)是有效的、實(shí)用的，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的一個(gè)重要組成部分，尤其是在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題上是具有其他算法無法替代的優(yōu)勢(shì)。隨著