基于流固耦合的沖焊型液力變矩器焊接強(qiáng)度分析

譚 越，馬文星，盧秀泉

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

液力自動(dòng)變速器（AT）是目前及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)車輛自動(dòng)變速器中市場(chǎng)占有率最高的產(chǎn)品。沖焊型液力變矩器是液力自動(dòng)變速器（AT）的核心部件。國(guó)外轎車沖焊型液力變矩器已成為研究熱點(diǎn)，美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家的汽車企業(yè)和高校的研究機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力物力進(jìn)行沖焊型液力變矩器研究［1－3］。此種變矩器的設(shè)計(jì)和制造難度較大，其焊接結(jié)構(gòu)的可靠性將直接影響變矩器的工作性能并對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系的運(yùn)轉(zhuǎn)安全有重大影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重對(duì)沖焊型液力變矩器焊接葉輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和分析。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)液力變矩器強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要以鑄造型為主，北京理工大學(xué)魏巍等［4］對(duì)液力變矩器葉片進(jìn)行單向FSI強(qiáng)度分析，得到了葉片的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)；閆清東等［5］采用周期性模型對(duì)大功率液力變矩器葉輪的FSI進(jìn)行研究，為葉輪強(qiáng)度分析提供一種較為有效的方法。此外，同濟(jì)大學(xué)陸忠東等［6］對(duì)沖焊型液力變矩器葉片的FSI作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算沖焊型液力變矩器焊接強(qiáng)度問(wèn)題，本文基于單向FSI的方法，對(duì)某型沖焊型液力變矩器葉輪耦合系統(tǒng)采用整體離散和整體求解的方法進(jìn)行焊接強(qiáng)度分析。

1 單向流固耦合分析方法

單向FSI是在固體的變形微小、忽略其對(duì)流體影響的情況下，只考慮流體應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用［7］。單向FSI分析流程如圖1所示。流場(chǎng)的CFD數(shù)值仿真和結(jié)構(gòu)的FEA分析求解在時(shí)間上是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。CFD計(jì)算結(jié)果中耦合面上的壓力值通過(guò)網(wǎng)格映射轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)載荷施加到結(jié)構(gòu)的耦合面上，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算［8］。

圖1 單向FSI分析流程Fig.1 Flow chart of one way FSI analysis

針對(duì)本文研究的沖焊型液力變矩器葉輪的焊接強(qiáng)度問(wèn)題，假設(shè)變矩器葉輪及葉片的變形量對(duì)流場(chǎng)的影響較小，所以采用單向FSI分析方法。葉輪焊接強(qiáng)度計(jì)算是在內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 CFD計(jì)算模型的建立

本文首先采用CFD軟件對(duì)某沖焊型液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。該變矩器循環(huán)圓有效直徑為255mm，其中泵輪葉片數(shù)為21個(gè)，渦輪葉片數(shù)為28個(gè)，導(dǎo)輪葉片數(shù)為17個(gè)。圖2為工作腔的流道幾何模型和網(wǎng)格模型。

圖2 流道幾何模型和網(wǎng)格模型Fig.2 Geometric model and grid model of flow channel

計(jì)算采用分離式求解器；壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法；空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式；邊界條件采用壁面邊界（Wall）和交互面（Interface）兩種；采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)解決流體計(jì)算中兩個(gè)不同區(qū)域的相互交互作用［9］。湍流模型采用大渦模擬（LES）。其基本思想是:用瞬時(shí)的Navier－Stocks方程組直接模擬湍流中的大尺度渦，而小尺度渦對(duì)大尺度渦運(yùn)動(dòng)的影響則通過(guò)建立亞格子尺度模型來(lái)模擬。通過(guò)前期大量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用大渦模擬計(jì)算出的扭矩與實(shí)驗(yàn)值誤差較小，并且三個(gè)葉輪平衡扭矩最接近0值，說(shuō)明采用大渦模擬時(shí)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際最為接近。

圖3為制動(dòng)工況下，工作流場(chǎng)中提取出的渦輪葉片工作面和非工作面上的靜壓力分布圖。其上的流場(chǎng)壓力通過(guò)FSI作用的邊界面施加給葉片結(jié)構(gòu)。

圖3 渦輪葉片靜壓力分布Fig.3 Static pressure distribution of turbine blades

2.2 插值變換

在FSI計(jì)算中，由于CFD和FEA計(jì)算網(wǎng)格在交換界面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不相匹配，需對(duì)兩個(gè)物理場(chǎng)耦合面上非匹配網(wǎng)格進(jìn)行插值變換。本文利用Matlab中的插值命令TriScatteredInterp來(lái)完成網(wǎng)格差值變換。該方法避免了大量繁瑣的狄洛尼三角的構(gòu)建，在不需要重新進(jìn)行三角化的前提下可以對(duì)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行調(diào)整。此種插值算法穩(wěn)定性好、速度快、精度高，能夠得到較好的插值效果。

對(duì)液力變矩器的工作流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算后，將流場(chǎng)耦合面上的各節(jié)點(diǎn)壓力值及對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以ASCII文件類型輸出。在CFD數(shù)值計(jì)算中泵輪流道和渦輪流道將沿著Interface面做相對(duì)滑移，所以在做流體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的插值映射前，需通過(guò)坐標(biāo)變換，將CFD和FEA模型的耦合邊界面相對(duì)應(yīng)。在CFD仿真中提取計(jì)算前耦合面上的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與計(jì)算后相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)壓力值用于插值變換。在流固耦合面上，對(duì)流體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行插值映射，可以得到作用在焊接葉輪耦合面上較為準(zhǔn)確的流體壓力載荷。

2.3 FEA模型的建立

（1）建立網(wǎng)格模型

本文研究的某型沖焊型液力變矩器采用釬焊的焊接方法，焊接工藝和焊接填充金屬?gòu)?qiáng)度對(duì)葉片與內(nèi)外環(huán)連接處的強(qiáng)度有重要影響，而葉片與內(nèi)外環(huán)的滾鉚連接會(huì)使計(jì)算更加復(fù)雜，難以保證計(jì)算精度，因此本文暫未考慮葉片與內(nèi)外環(huán)的滾鉚連接，在有限元前處理軟件中對(duì)液力變矩器及其焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。依據(jù)渦輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法劃分四面體網(wǎng)格。葉片兩側(cè)焊縫與內(nèi)外環(huán)采用共節(jié)點(diǎn)處理。建立接觸面、目標(biāo)面、約束面、葉片載荷面的節(jié)點(diǎn)組件。渦輪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型如圖4所示，其中四面體單元采用SOLID185單元模擬；所選內(nèi)外環(huán)材料為10F，葉片材料為08Al，焊點(diǎn)材料為H68。材料屬性如表1所示。

圖4 網(wǎng)格模型圖Fig.4 Grid model diagram

表1 材料屬性Table 1 Material properties

（2）定義接觸

接觸問(wèn)題是一種高度的非線性問(wèn)題。接觸問(wèn)題的關(guān)鍵在于接觸體之間的相互關(guān)系，包括接觸前后的法向關(guān)系和切向關(guān)系。在法向上必須實(shí)現(xiàn)接觸力的傳遞和接觸面間沒(méi)有穿透。

本文研究的某型沖焊型液力變矩器，葉片與內(nèi)外環(huán)是通過(guò)釬焊銜接為一體的。為真實(shí)模擬各部件間的傳遞力，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)葉片和內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行面－面的非線性接觸設(shè)置，計(jì)算中采用擴(kuò)展的拉格朗日乘子法，使用Targe170和Conta173來(lái)定義3－D接觸對(duì)。模型中共28個(gè)葉片，分別與內(nèi)外環(huán)接觸，共計(jì)56個(gè)接觸對(duì)，如圖5所示。

（3）施加約束

對(duì)于變矩器葉輪結(jié)構(gòu)，泵輪與泵輪軸、渦輪與渦輪軸的連接均在葉輪中心的圓柱面上，因此，本文在渦輪軸孔處施加全約束。

（4）施加載荷

液力變矩器葉輪在工作時(shí)承受的載荷主要包括兩種:①在高速旋轉(zhuǎn)中葉輪自身重量形成的結(jié)構(gòu)慣性離心力；②工作腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的工作液體作用在葉輪上的流體壓力。本文以典型的渦輪制動(dòng)工況為例進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)速比i＝0，渦輪不承受離心力，僅施加流體壓力載荷。

圖5 接觸對(duì)分布圖Fig.5 Distribution map of contact pair

3 結(jié)果分析

3.1 整體位移和應(yīng)力云圖

如圖6所示，葉輪最大變形為0.01057mm，位于葉片進(jìn)口靠近外環(huán)側(cè)及外環(huán)靠近進(jìn)口端。由圖7可知，渦輪結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為42.4MPa，發(fā)生在葉片出口與內(nèi)環(huán)相接的根部。

圖6 渦輪結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.6 Deformation contours of turbine structure

圖7 渦輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Stress ontours of turbine structure

3.2 焊縫處應(yīng)力云圖

圖8為葉片兩側(cè)與內(nèi)環(huán)銜接的焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為29.2MPa，出現(xiàn)在葉片出口靠近內(nèi)環(huán)的端部，為應(yīng)力集中。原因是由于模型中該處非圓滑過(guò)渡簡(jiǎn)化造成的。內(nèi)環(huán)焊縫工作面處的整體應(yīng)力由中間向進(jìn)出口兩側(cè)遞增，在出口段應(yīng)力最大。

圖8 內(nèi)環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contours of inside ring weld structure

圖9為葉片兩側(cè)與外環(huán)銜接的焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為11.4MPa，出現(xiàn)在葉片出口靠近外環(huán)的端部附近，應(yīng)力面積較大，但應(yīng)力級(jí)別小，整體應(yīng)力分布同內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖9 外環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contours of outside ring weld structure

3.3 接觸應(yīng)力云圖

圖10為葉片與內(nèi)環(huán)接觸面的接觸應(yīng)力圖，最大接觸應(yīng)力值為58.9MPa，出現(xiàn)在葉片中間位置處，為內(nèi)環(huán)滑動(dòng)接觸；圖11為葉片與外環(huán)接觸面的接觸應(yīng)力圖，最大接觸應(yīng)力值為56.4MPa，出現(xiàn)在葉片端部處，為外環(huán)滑動(dòng)接觸。由接觸應(yīng)力云圖可知，制動(dòng)工況下渦輪結(jié)構(gòu)面與面的平均接觸應(yīng)力在12MPa左右。

從上述的分析結(jié)果可以看出:在流體壓力載荷作用下，葉輪的總體變形量較小（最大值為0.01057mm，且結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)直接作用區(qū)域的變形量更小），不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成明顯擾動(dòng)，所以本文按照單向FSI理論對(duì)某沖焊型液力變矩器葉輪系統(tǒng)的焊接強(qiáng)度進(jìn)行分析是合理的。

圖10 葉片與內(nèi)環(huán)接觸應(yīng)力云圖Fig.10 Contact stress contour of blade and inside ring

圖11 葉片與外環(huán)接觸應(yīng)力云圖Fig.11 Contact stress contour of blade and outside ring

本文研究的沖焊型液力變矩器內(nèi)外環(huán)材料的屈服極限為232MPa；葉片材料的屈服極限為215MPa；焊點(diǎn)材料的屈服極限為269MPa。而在制動(dòng)工況下渦輪結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力值為42.4MPa，極限接觸應(yīng)力為58.9MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限值，強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié) 論

（1）提供了一種對(duì)沖焊型變矩器焊接強(qiáng)度的計(jì)算方法。對(duì)葉片兩側(cè)焊縫與內(nèi)外環(huán)采用共節(jié)點(diǎn)的方法模擬焊接結(jié)構(gòu)；葉片與內(nèi)外環(huán)部件間采取接觸設(shè)置，進(jìn)行接觸非線性分析。通過(guò)該方法可真實(shí)模擬構(gòu)件傳力，更好地掌握結(jié)構(gòu)變形情況和應(yīng)力分布。

（2）采用單向FSI分析方法對(duì)沖焊型液力變矩器葉輪的焊接強(qiáng)度分析是可行的。本文的研究工作對(duì)沖焊型液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

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