渦輪增壓器支架優化設計

2013-06-13  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文利用 HyperWorks中的形貌優化工具,對渦輪增壓器支架進行優化,提高支架的剛度避免共振。渦輪增壓器在高性能發動機中有著廣泛的應用,放置在支架上的執行器對控制壓縮比起著關鍵性的作用;支架的工作環境惡劣,共振是支架破壞的主要原因。利用形貌優化工具可以得到支架肋板的最佳布局,不僅提高了設計的質量,而且減少了設計時間。

1 概述
渦輪增壓器是現在高性能發動機的一個重要組成部分,隨著技術的不斷進步,對渦輪增壓器可控性的要求越來越高,各種控制元件相繼應用在了渦輪增壓器上。渦輪增壓器支架就是支撐執行器的重要部件,支架的工作環境惡劣,共振是支架破壞的主要原因。在設計支架中,一個主要任務就是提高支架的剛度,避免共振的發生。
HyperWorks中的形貌優化工具,可以按照設計的要求,優化出支架肋板的最佳布局,這樣可以節省設計的時間,而且提高了設計質量。
2 建立優化模型
根據支架在渦輪增壓器上的設計空間,設計出支架的初始模型。初始模型的設計不考慮肋板的布置,僅根據設計空間設計出支架的初始形貌。為了便于形貌優化的計算,必須對初始模型進行簡化,利用 HyperWorks中的 midsurface工具,抽取支架模型的中面。見圖 1。

                                  圖 1 原始模型及模型中面圖
利用 HyperWorks中 CONM2單元將執行器簡化為質點,并用 CBAR單元連接。利用 PSHELL單元對支架進行網格劃分,為了保證優化的質量,要對網格的密度和質量進行控制。網格密度對優化出的結果有較大的影響,網格質量差會導致優化問題不收斂。
確定支架優化時的設計空間和非設計空間。支架作為支撐件,同時與渦輪增壓器主體和執行器相連,兩者給支架的設計提出了一定的約束,有明確約束的區域就定為非設計空間。設計約束較為寬松的區域定為設計空間,肋板一般布置在這個區域。見圖 2。

                    網絡模型                     設計空間

                                圖 2 網絡模型和設計空間
3 支架模態分析

根據積累的設計經驗,為了避免發生共振,對于設計的支架第一階頻率有一個設計的目標值。對初始設計的支架進行模態分析,分析這個設計是否達到了這個設計標準;如果沒有,就需要進行優化分析,得到合理的肋板布局。

                              圖 3 模態分析圖

4 優化分析
在進行優化分析時要合理設定參數,可以幫助提高優化的效果,并且使優化的結果更加具有實用性。首先要肋板布置的方向,雙方向的肋板布局優化效果最好,但是加工難度大;單向的肋板布局加工方便,為了提高優化的效果可以適當提高肋板高度;同時根據實際情況,確定單向肋板的布局方向。見圖 4。合理的肋板高度不僅可以得到較好的優化效果而且使實用性得到了保障;較大的肋板高度可以提高優化效果,但是實際中受材料性能的限制,往往是加工不出的。

                  優化結果                     導出的 IGS模型

                          圖 4 優化分析結果
查看優化結果,如果對優化結果不滿意,可以調整優化參數。利用 OSSmooth工具可以到處優化后的幾何模型,再導入專業的 CAD軟件,作為參照對初始設計進行修改,得到優化的設計方案。
5 優化方案分析

為了驗證優化設計方案的可靠性,對優化方案進行模態分析,確保其達到要求。見圖 5。

                         圖 5 優化后模型及其一階模態

6 結論
利用 HyperWorks提供的優化工具,縮短了支架設計的周期,提高了設計質量。對于本次設計,利用優化工具,一次就達到了設計要求。

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