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基于CATIA的涡轮增压器压气机优化设计

2022-01-06朱俊懿王煊瞿俊杰雷汝婧

内燃机与配件 2022年1期
关键词:优化设计

朱俊懿 王煊 瞿俊杰 雷汝婧

摘要: 在技术上,利用交互式设计软件CATIA的CAD模块,分别建立原始涡管模型和优化涡管模型;再通过其CAE模块,对压气机涡管口施加应力,得到应力分析图和形变位移图。通过对原始涡管和优化后涡管应力分析,得出在同等工作条件下,优化模型比原始模型接受应力更大,进而工作更加可靠。创新点为,此方法可以缩短零件研发周期,降低研究成本。

Abstract: Using CAD module of interactive design software CATIA, the original vortex tube model and optimized vortex tube model were established respectively. Through the CAE module, stress is applied to the vortex nozzle of the compressor, and the stress analysis diagram and deformation displacement diagram are obtained. Through the stress analysis of the original vortex tube and the optimized vortex tube, it is concluded that under the same working condition, the optimized model accepts more stress than the original model, and thus works more reliably. The innovation point is that this process can shorten the parts research and development cycle and reduce the research cost.

关键词: CATIA;涡轮增压器;优化设计

Key words: CATIA;turbocharger;optimization design

中图分类号:U463.6                                      文献标识码:A                                  文章編号:1674-957X(2022)01-0007-03

1  概述

为了既满足人们的动力性需求,又满足人们的经济性需求,加装增压器的发动机逐渐普及[1]。其中,配备涡轮增压器的发动机,能够在不更动原发动机排气量的情况下把输出功率提高到30%以上,因而许多汽车制造厂家都普及这种增压技术来提升发动机的输出功率,实现汽车的高效能化。此模型将采用CATIA零件设计、创成式曲面设计、创成式结构分析模块,通过建模—数值模拟分析路线,在不影响车辆性能和不改变发动机尺寸大小的情况下,对涡轮增压器压气机蜗壳进行优化设计[4]。通过对比,找到原始设计上的不足,并确定最终设计方案,进而提高涡轮增压器的使用效率。

2  涡轮增压器压气机及蜗壳

2.1 压气机工作原理

对于离心式压气机(如图1),当压气机工作时,空气流经进气管道,到达压气机叶轮。由于离心力的作用,空气沿着压气机内部流道,从叶轮中心流向叶轮的四周[2]。旋转的叶轮给空气附加能量,此时空气流速、温度和压力均有大幅度提升,然后流入叶片式扩压管。扩压管内部为渐扩形流道,空气流过扩压管时减速增压,温度也有所升高。在扩压管中,空气大部分动能被转变为压力能。空气从扩压管流出后,蜗壳把其收集起来,引向压气机出口位置[3]。空气在蜗壳中经过螺旋式通道减速增压,完成动能转化为压力能的过程。

2.2 建立压气机蜗壳模型

选择某一车型的涡轮增压器,结合相关设计参数[3],见表1,以及涡管外观参数(如图2),应用CATIA参数化设计出原始涡轮增压器蜗壳造型。在设计优化模型时应考虑叶轮出气口气体流速对蜗壳内壁冲击的影响,因为流体在管道内的流场分布十分繁杂,尤其在弯管处,流体速度和压力变化值明显[2]。经过计算确定最终优化涡壳模型,为后续静态分析提供三维模型(如图3)。

3  三维模型的优化分析

3.1 网格划分

打开CATIA中Generative Structural Analysis模块,采用Static Analysis[5]。进入分析控制台将零件固定面固定,点击图标(),应用材料,选取Steel进行渲染;点击图标()选择四面体网格划分器命令,定义网格划分尺寸越小,模型计算量越大,精准性度越高;在形变率数值栏设置尺寸为5mm,绝对凹度设置为0.5mm进行网格划分(如图4)。

3.2 添加载荷

常用载荷为压力载荷、分散力载荷、轴载荷和线性载荷。流体经过涡管螺旋通道后对管道壁进行冲击,涡管压力增大,因此选取压力载荷。分别在涡轮增压器原始模型和优化模型涡管口内外壁约束,在X/Y/Z方向施加30N压力,总压力合成为51.962Nxm(如图5)点击图标()最后计算输出。

3.3 优化分析

模型计算完成,进行应力分析,如图所示(图6原始模型网格划分形态图、图7优化模型网格划分形态图;图8原始模型冯米斯应力图、图9优化模型冯米斯应力图;图10原始模型位移显示图、图11优化模型位移显示图)。CATIA生成的调色板,从蓝色到红色显示应力逐渐变大,原始模型、优化模型最大接受应力分别为3.08e+006Pa和4.14e+006Pa。通过纵向对比,优化后模型接受应力条件更好。位移显示图中原始模型和优化模型最大位移量分别为0.000439mm和0.000444mm。整体上,原模型形变程度大,优化模型形变量小,证明此优化模型在同等条件下,接受的应力更大,工作状况更加稳定。

4  结论

通过软件建模-数值模拟分析-实证研究的路线,对涡轮增压器进行优化设计与分析,利用CATIA软件的CAD建模和其中的Static Analysis,得出优化后的设计方案更加安全有效,工作效率更加稳定。此方法缩短了涡轮增压器的研发时间,可以在不影响车辆性能和驾驶员驾驶乐趣的前提下缩小发动机尺寸,降低涡轮增压器的生产成本,提高公司生产线上的生产效率,最终达到降低燃油消耗的目的。

参考文献:

[1]周龙保.内燃机学[M].二版.机械工业出版社,2005.

[2]赵永胜,张松涛,韩国强,等.涡轮增压器叶片扩压器高速流场仿真分析[J].大连交通大学学报,2012.

[3]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京:机械工业出版社,1992:88.

[4]宁贵欣.CATIA V5工业造型设计实例教程[M].北京:清华大学出版社.

[5]刘宏新.CATIA工程结构分析[M].机械工业出版社,2015.

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