车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结构优化

1、上海：年月中国内燃机学会第七届学术年会论文集车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结构优化赵俊生，马朝臣，胡辽平（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京；湖南天雁机械有限责任公司，衡阳）摘要：以车用增压器涡轮叶轮为研究对象，基于最优化设计的原理，在不改变叶型及流道并保证涡轮叶轮结构强度的基础上，利用优化设计模块及语言编制用户程序，以涡轮叶轮重量最小为目标对增压器涡轮叶轮进行了减重结构优化。在此基础上考虑涡轮叶轮铸造和装配工艺等因素，确定了新型的减重涡轮叶轮结构。使得涡轮叶轮重量减少了。优化后的涡轮叶轮结构不仅节省了材料的消耗，同时使得涡轮增压器转子质量分配进一步趋于合理，有助于提高增压器轴系的机械效率和可靠

2、性。强度校核及寿命分析表明，优化结果满足使用要求。为增压器的实际工程应用提供了参考依据。关键词：有限元法；涡轮叶轮；参数化建模；结构优化压器转子的转动惯量，改善涡轮叶轮与压气机叶引言由涡轮叶轮和压气机叶轮组成的转子是涡轮轮的质量分配，提高增压器轴系的机械效率，从而利于提高增压器轴系的效率和可靠性。增压器的核心零部件。前期的数值计算及试验表明涡轮叶轮的强度储备大大高于压气机叶轮的强度储备。而涡轮叶轮材料使用昂贵的镍基铸造合金，价格高。同时由于这种材料的密度大大高于压气机叶轮的密度。使得涡轮叶轮与压基于的涡轮叶轮结构优化涡轮叶轮有限元模型的建立增压器涡轮叶轮工作状态受力情况非常复杂，但主要是高速旋

3、转的离心力。由于相对整个涡轮叶轮来说，轮毂直径较小。盘体温差不大。因此计算破裂转速时，忽略温差应力的影响。只考虑转子高速旋转的离心力的作用。涡轮叶轮最大直径为。压气机叶轮最大直径为。涡轮叶轮所用材料为铸造合金，其机械性能参数嘲见表。优化时所受载荷为工程要求的最低破裂转速。对于该型号的增压器，其标定转速为气机叶轮组成的增压器转子质量分配很不均匀。涡轮叶轮重量是压气机叶轮重量的倍增压器转子质量分配不够合理。因此。对涡轮叶轮进行结构优化、适当减轻转子的重量是非常必要的。达到减少其重量、节约成本、改善转子的质量分配的目的。目前常用的结构优化设计中较实用的是优化准则法与大型有限元分析程序的软件集成化阁。

4、系统在机械、土木和航空航天等领域有着一最高可达。国内涡轮叶轮安全因数广泛和良好的应用基础，语言为结构优化设计的数值分析提供了一个很好的开发环境【，田。本文基于语言，利用的优化设计模块编制用户程序并结合软件。对湖南天雁机械有限责任公司的增压器零部件涡轮叶轮进行了结构优化设计，在不改变叶型及流道并保证增压器性能和结构强度的基础上有效地减轻涡轮叶轮重量，减少了材料的消耗。达到节约成本提高经济效益的目的。力图尽可能地降低增范围为，因此本文在优化时取最高转速的倍（即一）作为涡轮叶轮的所受载荷进行优化计算。从增压器涡轮叶轮几何模型可知。增压器涡表涡轮叶轮机械性能参数（。）江一×脚作者简介：赵俊生

5、（一），男，博士研究生；研究方向为动力机械结构强度、振动及可靠性。：肖接空滤论轮轮刈断结构都睢掉复杂萁结构具有周期对称睦，承受的载荷和约求也聩有持瑚对称性。为减少掉的作竹和叫问充分利用涡轮引轮周期对楠，结构柏特点、以竹省计算赘繇和计算时间为保满艳叫根处莽值的准确，用半径匀的吲牲讯将涡轮叶轮分为厕部分包古叶片部分如；建夔导八其杂部分为优化部分存中州建模，优化的有限元掉模删来川一周期，啦冗选取为维等参单元朗自嘲格划分【如阁所小番譬豺轮减重结构优化数学模型如下：艳背摩擦焊端施加轴向约求并施由盱离心仑繇净型棒拽荷矧为扩催霹的描轮州轮有限元嘲格嘲优化结构厦变最示意图优化设计的约束条件选择为整个模型的最大

6、等效应力应力（即最大应力）作为约柬条件。眦涡轮叶轮的重量最小为目标函数。涡轮叶目标函数：阢伍）斗。设计变量：哺状志童毽：媳一希，表示涡轮叫轮的蕾鼙优化结果与分析本问题采川一阶优化方法将日杯函数的允许误差定为共进轩扶优化循环，迭代后由于满足收敛条件而退出，加上初值拱教得组数据，优化结粜见袅（【州部分）为蛀优维数据、轮轮矿雕仃限兀同格挂型表月轮叶耗优化目标值与变量值的优化结果涡轮叶轮结构优化数学模型弓膳到增肛器嚏能眭涡轮叶轮轴的峰擦焊三结构优化保留】刈肛洫道结蜘小变只能叫圳端轴处持优化扦一抖优化的葬表明，粕轮叶轮轴一处兀伪督鹱鲢小闻此采用掉涡轮川轮裴蚍的外一、山许向轴州迸的方策好忧他们泣墅毓知斫优

7、化时列执表吖然分析得到的最优组数据的约柬条件鞘超过最大崔被认为，取，但一状遗代就被认为不可这主要是受到精度的限制阳勾！【果糖度受求过高汁尊，问会越长同时南于辱虑刮结托的媳质邕受最小使得规定的位移：限值偏小所以约求条件艟亢值才会越过饭限：是从表“霸刮陈第组数据外各约艇夺心州和群腰进秆艟优化谴，生优化没姐】定满魁±定强旦：条”，的巧，韧值分别为，。小柏受化范闭分制擅：，），描轮时轮艘裂转进的数倩舒析裘明枉不矧离力作用，禺轮叶轮的照上锋效卅均发在口根处嘶轴。孔儿参数的：；小台引起轮艘的皇，避”，枞健的，全膨桐闻此上海：年月中国内燃机学会第七届学术年会论文集选代歌图目标函数收敛过程图设计变量

8、收敛过程目标函数收敛情况如图所示。图为优化由上图涡轮叶轮的重量的变化曲线可以看出，优化次数在第次时优化对象数据的值已基咖：，咧。嘲姗蛳啪蛳¨“纠矗代次羹图约束变量随迭代次数的变化过程强度校核前述优化时取最高转速一的倍（即）作为涡轮叶轮的所受载荷，按照破裂准则进行优化计算，因此还需对优化结构进行强度校核和寿命分析。对减重优化前后的结构在最大标定转速一工况下，计算了涡轮叶轮的应力分布状况。计算结果表明在转速下优化前后的涡轮叶轮应力分布基本一致，最大等效应力均发生在叶根处。且存在应力集中现象。优化前后的最大等效应力分别为、。所不同的是优化后的涡轮叶轮在减重孔轴心处应力较优化前增大仅为由于该

9、处为球面。因此并未出现应力集中。计算所得最大等效应力及应力集中系数见表。其中名义应力是与最大等效应力等半径的所有节点等效应力的平均值。表优化前后最大等效应力及应力集中系数结构。足优化前优化后在工作转速。的条件下，安全系数用屈服强度计算，仉何。（为屈服强度，为最大等效应力），优化前后的涡轮叶轮安全系数分别为和。结果表明，两种结构的涡轮叶轮最大等效应力均小于屈服强度。由于其重量减轻引起应力水平的改善，可以抵消其绝对强度的不足，减重优化后的涡轮叶轮在强度性能上可以满足要求。寿命分析在最大标定转速的条件下。涡轮叶轮为有限寿命设计，疲劳失效分析的安全因子为婀”堕彘式中占为尺寸因素，口为表面质量因素，。为

10、疲劳强度，为有效应力集中系数，为最大等效应力，为材料常数，为疲劳强度应力循环次数，。为设计应力循环次数。对于减重优化前后涡轮叶轮，、口、以。、均相同，假设和相同，则据疲劳失效安全因子表达式及表数据，可得到优化后涡轮叶轮疲劳失效安全因子，与原结构相比，减重优化后的涡轮叶轮疲劳失效安全因子仅降低了。表明减重优化结果满足疲劳寿命的使用要求。柬条件都满足了设计要求，所以整个优化分析计算是合理的。变量、随迭代次数的变化过程。图为约束变量随迭代次数的变化过程。本稳定。由图当量应力随迭代次数的变化情况可以看出，按最优设计参数设计的涡轮叶轮当量应力为，小于给定的约束值。可知当量应力基本为恒值，趋于稳定。设计时

11、可取第组数据作为最优设计参数。减重结构强度校核及寿命分析宣读交流论文涡轮叶轮减重方案的最终确定结论从优化结果可得到设计参数随最大当量应力变化曲线如图所示，图为最大当量应力随设计参数的变化曲线。从图、图设计参数、随最大当量应力变化曲线可知。设计变量达到给定约束的上限值而设计变量对约束条件较为敏感，最优值为。继续增大将引起叶根处等效应力的增大而超过约束值。表列出了涡轮叶：啪啪呦蛳啪螂一”拍，一脚图最大当量应力随设计变量变化过程：厂一。啪啪螂螂蛳哟。朋，站驰埘皤御卯设计蔓上，图最大当量应力随设计参数变化过程轮最优化结果及调整方案。并作为减重优化后涡轮叶轮铸造的依据。考虑到配需要在优化方案中将凹孔外端

12、改为内六方。同时为了满足涡轮叶轮动平衡时的去重需要。将设计参数由最优值减小为结构示意图如图所示。最终方案使得涡轮叶轮重量由原来的减小到，减小了。且对涡轮叶轮的铸造工艺改动不大，有利于工程实际的应用。裹涡轮叶轮优化方案最终结果变量初擅下硪结集位上碾位收敛容差量优螺圆蔓量终方案矿豁倒，工（）将有限元分析和结构优化方法相结合，是增压器零部件设计的一个重要途径。本文中的优化对象为较小型号的涡轮叶轮，优化的最后方案使得涡轮叶轮重量减少了，节省材料删力丐胬寺！图涡轮叶轮减重结构最终方案。对于其它不同型号的涡轮叶轮，节省材料的效果将会更加明显，从而有效地节省材料，降低成本。具有一定的经济效益。（）涡轮叶轮重量的降低减少了涡轮叶轮与压气机叶轮的重量差，改善了涡轮叶轮与压气机质量分配，有利于提高增压器轴系的效率和可靠性。（）涡轮叶轮转动惯量从降低到减少了。效果不是很明显。基于的结构优化设计在解决结构优化问题时是有效的、实用的，是结构优化设计实现方法的一个重要组成部分，尤其是在大型复杂结构的优化问题上是具有其他算法无法替代的优势。随着