基于ANSYS的有裂紋缺陷的壓氣機(jī)強(qiáng)度剛度有限元分析

王麗娜 柳禮 李汝勇

摘要：通過ANSYS建立帶有裂紋的壓氣機(jī)葉輪有限元模型，并對裂紋處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，且分析葉輪的載荷和邊界條件;在不同裂紋尺寸下計(jì)算其強(qiáng)度和剛度，計(jì)算結(jié)果顯示：葉輪中心孔中與輪盤最大半徑對應(yīng)位置處應(yīng)力最大;徑向方向葉輪出口處的葉尖變形最大，軸向方向輪背向葉片方向發(fā)生變形，葉片向輪背方向發(fā)生變形;分析了不同裂紋長度和裂紋寬度下，裂紋孔口區(qū)域內(nèi)的最大應(yīng)力，并通過曲線擬合得到了裂紋孔口處的最大應(yīng)力隨著裂紋的長度呈現(xiàn)指數(shù)增長，隨著裂紋的寬度呈現(xiàn)線性增長。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)葉輪;有限元法;強(qiáng)度;剛度;裂紋尺寸

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展以及新能源汽車帶來的挑戰(zhàn)，市場對燃油汽車的燃油效率的要求不斷提到[1-3]，車用渦輪增壓器作為提高燃油效率的必要工作部件，其工作轉(zhuǎn)速也不斷提高[4]。高轉(zhuǎn)速下渦輪增壓器壓氣機(jī)的強(qiáng)度必須得到保證，但由于加工過程以及葉輪的長時(shí)間工作，壓氣機(jī)不可避免的出現(xiàn)裂紋[5-7]，本文基于ANSYS對帶有裂紋缺陷的壓氣機(jī)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元建模和分析，分析裂紋參數(shù)對壓氣機(jī)應(yīng)力和變形影響，本文的研究對壓機(jī)裂紋故障分析具有指導(dǎo)意義。

2 壓氣機(jī)葉輪三維模型

某乘用轎車渦輪增壓器的壓氣機(jī)葉輪三維模型如下圖 1所示，其中包含了9個(gè)長葉片和9個(gè)短葉片，輪盤的最大直徑為158mm，軸向長度為60mm，中心口的最小直徑為15.2mm

2葉輪葉片根部的裂紋

在機(jī)加工或者高轉(zhuǎn)速下離心力作用下壓氣機(jī)容易在葉片的根部產(chǎn)生裂紋，一般裂紋的尺寸和形狀時(shí)隨機(jī)分布的，為了簡化可以在葉輪的葉根處建立立方體凹陷作為裂紋，其結(jié)果如圖 2所示，沿氣流方向的裂紋長度為L，垂直于氣流方向的裂紋寬度為D，裂紋深度為H。

葉輪的材料采用7075，為高強(qiáng)度鋁合金材料，該材料在T6熱處理后具有較好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用在葉輪加工制造中，其材料屬性如下表 1所示：

根據(jù)葉輪的三維模型使用solid187進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體的網(wǎng)格最大尺寸控制在3mm，在裂紋位置處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，局部球形區(qū)域的半徑為5mm，其球形區(qū)域內(nèi)部網(wǎng)格最大尺寸為0.2mm。最終得到的網(wǎng)格單元數(shù)為：463407、單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為：652332。

葉輪的邊界條件為：

?中心孔處施加圓周方向的位移約束。

?輪盤后臺階面處施加軸向方向的位移約束。

4局部網(wǎng)格細(xì)化

工作過程中葉輪主要受到離心載荷、氣動壓力載荷、溫度載荷和預(yù)緊力載荷，和離心載荷相比氣動壓力載荷、溫度載荷和預(yù)緊力載荷可以忽略。葉輪的邊界條件和載荷施加結(jié)果如圖 5所示，其中葉輪的離心載荷是由于額定轉(zhuǎn)速40000RPM決定的。

6葉輪中心孔剖面的等效應(yīng)力

3 計(jì)算分析結(jié)果

計(jì)算葉輪的強(qiáng)度和剛度，其中葉輪中心孔剖面的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖 6所示，從圖中可以看出沿中心孔軸向方向在輪轂半徑最大處應(yīng)力達(dá)到最大值，因?yàn)樵撎幦~輪的半徑最大產(chǎn)生的離心力最大，所以產(chǎn)生的應(yīng)力也是最大的，最大應(yīng)力達(dá)到163Mpa，該應(yīng)力尚未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)達(dá)到2.3滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

計(jì)算葉輪的徑向變形可以對轉(zhuǎn)子和靜子件之間的間隙設(shè)計(jì)提供依據(jù)，計(jì)算該葉輪的徑向變形，計(jì)算結(jié)果如圖 7所示，從圖中可以看出，葉輪的徑向變形最大位置處于氣流出口處的葉尖位置，最大徑向變形為0.07mm。

計(jì)算葉輪的軸向變形，計(jì)算結(jié)果如圖 8所示，從圖中可知，輪背在離心力作用下向葉尖的方向變形，其最大變形量為0.1mm，而葉尖在離心力作用下向輪背方向的變形，其中的最大變形為0.07mm。

計(jì)算葉片根部裂紋處的等效應(yīng)力分布，結(jié)果如下圖 9所示，從圖中可以看出，越接近裂紋口空位置處應(yīng)力越大，最大的等效應(yīng)力達(dá)到了126.4Mpa，且在孔口位置存在應(yīng)力集中。

3.1裂紋長度對裂紋孔口的最大應(yīng)力的影響

計(jì)算不同裂紋長度下裂紋孔口處的最大應(yīng)力變化，計(jì)算結(jié)果如圖 10所示，從圖中可以看出：隨著裂紋長度的增加，裂紋口空處的應(yīng)力逐漸增大，通過曲線擬合可知，裂紋長度和裂紋孔口處的最大應(yīng)力之間呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。

11裂紋寬度對裂紋孔口應(yīng)力的影響

3.2裂紋寬度對裂紋孔口的最大應(yīng)力的影響

計(jì)算不同裂紋寬度狀態(tài)下，裂紋孔口處的最大應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖 11所示，從計(jì)算結(jié)果可以看出，裂紋孔孔口處的最大應(yīng)力隨著裂紋寬度的增加而線性的增加，當(dāng)裂紋的寬度達(dá)到4mm寬度時(shí)裂紋口最大應(yīng)力達(dá)到了335MPa，已經(jīng)超過了材料的屈服強(qiáng)度，通過分析裂紋的寬度不能超過3.75mm。

4 結(jié)論：

本文通過矩形凹陷的形式模擬壓氣機(jī)的裂紋缺陷，并實(shí)現(xiàn)在裂紋附近區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的細(xì)化，分析在不同裂紋尺寸下葉輪的強(qiáng)度和剛度，得到如下結(jié)論：

1）在離心載荷作用下，葉輪的應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在中心孔中與輪盤最大半徑對應(yīng)的位置處。

2）徑向方向葉輪出口處的葉尖變形最大;軸向方向葉輪的輪背向葉尖的方向發(fā)生變形;葉尖向輪背的方向發(fā)生變形。

3）裂紋孔口處的最大應(yīng)力隨著裂紋長度的增加以指數(shù)形式增加;隨著裂紋寬度的增加以線性形式增加。

References

[1]王鈺斌， 雷汝婧. 我國車用渦輪增壓器壓氣機(jī)的現(xiàn)狀研究. 科技風(fēng) 2021：180-1.

[2]王旭景. 小排量發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 時(shí)代農(nóng)機(jī) 2019;46：115-6.

[3]張俊紅， 李志剛， 王鐵寧. 車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車 2007：66-9.

[4]趙俊生， 馬朝臣， 胡遼平. 車用渦輪增壓器葉輪破裂轉(zhuǎn)速的彈塑性數(shù)值分析. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 2008：45-9.

[5]吳賀松. 車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用.： 上海交通大學(xué); 2015.

[6]張虹， 周怡， 張航. 車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪多載荷應(yīng)力分析. 車輛與動力技術(shù) 2016：1-6.

[7]黃新忠， 趙俊生. 基于ANSYS的壓氣機(jī)葉輪振動特性有限元仿真分析. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2012：12-4.