渦輪增壓器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

本文利用 HyperWorks中的形貌優(yōu)化工具,對渦輪增壓器支架進(jìn)行優(yōu)化,提高支架的剛度避免共振。渦輪增壓器在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用,放置在支架上的執(zhí)行器對控制壓縮比起著關(guān)鍵性的作用;支架的工作環(huán)境惡劣,共振是支架破壞的主要原因。利用形貌優(yōu)化工具可以得到支架肋板的最佳布局,不僅提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量,而且減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 概述
渦輪增壓器是現(xiàn)在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成部分,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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(yīng)用在了渦輪增壓器上。渦輪增壓器支架就是支撐執(zhí)行器的重要部件,支架的工作環(huán)境惡劣,共振是支架破壞的主要原因。在設(shè)計(jì)支架中,一個(gè)主要任務(wù)就是提高支架的剛度,避免共振的發(fā)生。
HyperWorks中的形貌優(yōu)化工具,可以按照設(shè)計(jì)的要求,優(yōu)化出支架肋板的最佳布局,這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間,而且提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。
2 建立優(yōu)化模型
根據(jù)支架在渦輪增壓器上的設(shè)計(jì)空間,設(shè)計(jì)出支架的初始模型。初始模型的設(shè)計(jì)不考慮肋板的布置,僅根據(jù)設(shè)計(jì)空間設(shè)計(jì)出支架的初始形貌。為了便于形貌優(yōu)化的計(jì)算,必須對初始模型進(jìn)行簡化,利用 HyperWorks中的 midsurface工具,抽取支架模型的中面。見圖 1。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片1

圖 1 原始模型及模型中面圖
利用 HyperWorks中 CONM2單元將執(zhí)行器簡化為質(zhì)點(diǎn),并用 CBAR單元連接。利用 PSHELL單元對支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了保證優(yōu)化的質(zhì)量,要對網(wǎng)格的密度和質(zhì)量進(jìn)行控制。網(wǎng)格密度對優(yōu)化出的結(jié)果有較大的影響,網(wǎng)格質(zhì)量差會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化問題不收斂。
確定支架優(yōu)化時(shí)的設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間。支架作為支撐件,同時(shí)與渦輪增壓器主體和執(zhí)行器相連,兩者給支架的設(shè)計(jì)提出了一定的約束,有明確約束的區(qū)域就定為非設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)約束較為寬松的區(qū)域定為設(shè)計(jì)空間,肋板一般布置在這個(gè)區(qū)域。見圖 2。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片2

網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)空間

圖 2 網(wǎng)絡(luò)模型和設(shè)計(jì)空間
3 支架模態(tài)分析

根據(jù)積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),為了避免發(fā)生共振,對于設(shè)計(jì)的支架第一階頻率有一個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。對初始設(shè)計(jì)的支架進(jìn)行模態(tài)分析,分析這個(gè)設(shè)計(jì)是否達(dá)到了這個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);如果沒有,就需要進(jìn)行優(yōu)化分析,得到合理的肋板布局。

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圖 3 模態(tài)分析圖

4 優(yōu)化分析
在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)要合理設(shè)定參數(shù),可以幫助提高優(yōu)化的效果,并且使優(yōu)化的結(jié)果更加具有實(shí)用性。首先要肋板布置的方向,雙方向的肋板布局優(yōu)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(yōu)化的效果可以適當(dāng)提高肋板高度;同時(shí)根據(jù)實(shí)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(yōu)化效果而且使實(shí)用性得到了保障;較大的肋板高度可以提高優(yōu)化效果,但是實(shí)際中受材料性能的限制,往往是加工不出的。

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優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)出的 IGS模型

圖 4 優(yōu)化分析結(jié)果
查看優(yōu)化結(jié)果,如果對優(yōu)化結(jié)果不滿意,可以調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。利用 OSSmooth工具可以到處優(yōu)化后的幾何模型,再導(dǎo)入專業(yè)的 CAD軟件,作為參照對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。
5 優(yōu)化方案分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性,對優(yōu)化方案進(jìn)行模態(tài)分析,確保其達(dá)到要求。見圖 5。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片5