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)燃機學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)年會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)機械與車輛工程學(xué)院，北京；湖南天雁機械有限責(zé)任公司，衡陽）摘要：以車用增壓器渦輪葉輪為研究對象，基于最優(yōu)化設(shè)計的原理，在不改變?nèi)~型及流道并保證渦輪葉輪結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化設(shè)計模塊及語言編制用戶程序，以渦輪葉輪重量最小為目標對增壓器渦輪葉輪進行了減重結(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，同時使得渦輪增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配進一步趨于合理，有助于提高增壓器軸系的機械效率和可靠

2、性。強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)動慣量，改善渦輪葉輪與壓氣機葉引言由渦輪葉輪和壓氣機葉輪組成的轉(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)值計算及試驗表明渦輪葉輪的強度儲備大大高于壓氣機葉輪的強度儲備。而渦輪葉輪材料使用昂貴的鎳基鑄造合金，價格高。同時由于這種材料的密度大大高于壓氣機葉輪的密度。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。由于相對整個渦輪葉輪來說，輪轂直徑較小。盤體溫差不大。因此計算破裂轉(zhuǎn)速時，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。壓氣機葉輪最大直徑為。渦輪葉輪所用材料為鑄造合金，其機械性能參數(shù)嘲見表。優(yōu)化時所受載荷為工程要求的最低破裂轉(zhuǎn)速。對于該型號的增壓器，其標定轉(zhuǎn)速為氣機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葉輪重量的倍增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配不夠合理。因此。對渦輪葉輪進行結(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)計中較實用的是優(yōu)化準則法與大型有限元分析程序的軟件集成化閣。

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

5、（一），男，博士研究生；研究方向為動力機械結(jié)構(gòu)強度、振動及可靠性。：肖接空濾論輪輪刈斷結(jié)構(gòu)都睢掉復(fù)雜萁結(jié)構(gòu)具有周期對稱睦，承受的載荷和約求也聵有持瑚對稱性。為減少掉的作竹和叫問充分利用渦輪引輪周期對楠，結(jié)構(gòu)柏特點、以竹省計算贅繇和計算時間為保滿艷叫根處莽值的準確，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為擴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)計的約束條件選擇為整個模型的最大

6、等效應(yīng)力應(yīng)力（即最大應(yīng)力）作為約柬條件。眥渦輪葉輪的重量最小為目標函數(shù)。渦輪葉目標函數(shù)：阢伍）斗。設(shè)計變量：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、化時列執(zhí)表吖然分析得到的最優(yōu)組數(shù)據(jù)的約柬條件鞘超過最大崔被認為，取，但一狀遺代就被認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，問會越長同時南于辱慮刮結(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稈艟優(yōu)化譴，生優(yōu)化沒姐】定滿魁±定強旦：條”，的巧，韌值分別為，。小柏受化范閉分制擅：，），描輪時輪艘裂轉(zhuǎn)進的數(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。孔兒參數(shù)的：；小臺引起輪艘的皇，避”，樅健的，全膨桐聞此上海：年月中國內(nèi)燃機學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)年會論文集選代歌圖目標函數(shù)收斂過程圖設(shè)計變量

8、收斂過程目標函數(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)在第次時優(yōu)化對象數(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)的變化過程強度校核前述優(yōu)化時取最高轉(zhuǎn)速一的倍（即）作為渦輪葉輪的所受載荷，按照破裂準則進行優(yōu)化計算，因此還需對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行強度校核和壽命分析。對減重優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)在最大標定轉(zhuǎn)速一工況下，計算了渦輪葉輪的應(yīng)力分布狀況。計算結(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)用屈服強度計算，仉何。（為屈服強度，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，可以抵消其絕對強度的不足，減重優(yōu)化后的渦輪葉輪在強度性能上可以滿足要求。壽命分析在最大標定轉(zhuǎn)速的條件下。渦輪葉輪為有限壽命設(shè)計，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)，為疲勞強度應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，。為設(shè)計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。對于減重優(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。柬條件都滿足了設(shè)計要求，所以整個優(yōu)化分析計算是合理的。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)計參數(shù)設(shè)計的渦輪葉輪當(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)計時

11、可取第組數(shù)據(jù)作為最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。減重結(jié)構(gòu)強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)計參數(shù)的變化曲線。從圖、圖設(shè)計參數(shù)、隨最大當(dāng)量應(yīng)力變化曲線可知。設(shè)計變量達到給定約束的上限值而設(shè)計變量對約束條件較為敏感，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)計變量變化過程：廠一。啪啪螂螂螄喲。朋，站馳塒皤御卯設(shè)計蔓上，圖最大當(dāng)量應(yīng)力隨設(shè)計參數(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。同時為了滿足渦輪葉輪動平衡時的去重需要。將設(shè)計參數(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。且對渦輪葉輪的鑄造工藝改動不大，有利于工程實際的應(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優(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)計的一個重要途徑。本文中的優(yōu)化對象為較小型號的渦輪葉輪，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。對于其它不同型號的渦輪葉輪，節(jié)省材料的效果將會更加明顯，從而有效地節(jié)省材料，降低成本。具有一定的經(jīng)濟效益。（）渦輪葉輪重量的降低減少了渦輪葉輪與壓氣機葉輪的重量差，改善了渦輪葉輪與壓氣機質(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)動慣量從降低到減少了。效果不是很明顯?；诘慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時是有效的、實用的，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)方法的一個重要組成部分，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。隨著