基于流固耦合增壓器葉輪應(yīng)力應(yīng)變分析

王金博　王金業(yè)　高艷紅

摘要：首先通過三維建模軟件SolidWorks建立葉輪模型，然后利用ANSYS Workbench流體動力學(xué)分析模塊ANSYS CFX進(jìn)行內(nèi)部流場數(shù)值計算，獲得增壓器內(nèi)氣流流場對葉輪壓力的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對葉輪進(jìn)行流固耦合分析，分析得到葉輪在受到流場壓力，自身重力及旋轉(zhuǎn)離心力綜合作用下葉輪的應(yīng)力及應(yīng)變分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：增壓器葉輪；ANSYS Workbench；流固耦合

中圖分類號：TH114文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

渦輪增壓器是一種以內(nèi)燃機(jī)工作所產(chǎn)生的廢氣為驅(qū)動的空氣壓縮機(jī)[1]。渦輪增壓器其工作轉(zhuǎn)速為20004000r/min，葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時，受到自身重力，離心力以及氣流的反作用力，為了解葉輪在工作過程中應(yīng)力應(yīng)變情況，本文采用單向耦合方法，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對增壓器葉輪應(yīng)力應(yīng)變及靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

1 模型建立與數(shù)值計算

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

通過建模軟件SolidWorks建立葉輪三維實體模型，如圖1所示；將模型保存成ANSYS Workbench可以識別的格式（stp格式）。

啟動ANSYSY Workbench，打開靜力學(xué)分析模塊，導(dǎo)入三維實體模型；添加材料鋁合金；采用四面體法對葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸選擇1mm，生成網(wǎng)格，如圖2所示，網(wǎng)格模型總共包含178730個節(jié)點，102743個單元[2]。

1.2 材料屬性及邊界條件設(shè)定

葉輪材料是鋁合金，材料屬性為：2720kg/m3，彈性模量：75GPa，泊松比：0.33，抗拉強(qiáng)度：523MPa，屈服強(qiáng)度：461MPa[3]。

在葉輪工作時，受重力作用，重力加速度取9.80m/s2；葉輪繞中間軸做回轉(zhuǎn)運動，故約束即在中心孔位置；葉輪在轉(zhuǎn)速為418.67rad/s。

1.3 流固耦合過程

在增壓器運行時，葉輪在流場中的變形較小，故本文采用單向流固耦合方法進(jìn)行求解，忽略固體變形對流場的影響。

1.4 應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果與分析

通過ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析可以得到葉輪總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖2、圖3所示。

1）分析葉輪總變形云圖（圖3），可得到結(jié)果：葉輪最大變形發(fā)生在葉片末端，最大變形量為：2.45×104mm；變形趨勢從葉片根部到葉片邊緣變形量逐漸增大，葉尖處變形最大。經(jīng)計算，葉片許用撓度0.002mm，許用撓度值大于葉輪最大變形量，故剛度符合要求。

2）分析葉輪等效應(yīng)力云圖（圖4），可得結(jié)果：葉片與輪轂連接處應(yīng)力比較集中，也是葉片最容易斷裂的位置，應(yīng)力變化范圍在1.6×104～1.163MPa之間，而鋁合金最大許用應(yīng)力231MPa。葉輪許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于葉輪在工作時所受到應(yīng)力，故葉輪強(qiáng)度滿足要求。

2 結(jié)論

本文通過有限元軟件ANSYS Workbench對葉輪進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：

1） 剛度方面，葉輪的變形量小于其許用撓度，故剛度滿足要求。

2）強(qiáng)度方面，葉輪許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于葉輪在工作時所受到應(yīng)力，故強(qiáng)度滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅君杰.基于實驗?zāi)B(tài)分析的渦輪增壓器振動研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[2]黃志新，劉成柱.Workbench14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]胡耀陽.航空鋁合金坯料殘余應(yīng)力及其控制措施的研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學(xué)，2013.

基金項目：河北省增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院建設(shè)與運行（169676320H）

作者簡介：王金博（1991），男，河北邢臺人，碩士。

通訊作者：王金業(yè)（1983），男，河北邢臺人，碩士，工程師。