渦輪增壓器支架優(yōu)化設計

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-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)動機中有著廣泛的應用,放置在支架上的執(zhí)行器對控制壓縮比起著關鍵性的作用;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,不僅提高了設計的質(zhì)量,而且減少了設計時間。

1 概述
渦輪增壓器是現(xiàn)在高性能發(fā)動機的一個重要組成部分,隨著技術(shù)的不斷進步,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。在設計支架中,一個主要任務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,可以按照設計的要求,優(yōu)化出支架肋板的最佳布局,這樣可以節(jié)省設計的時間,而且提高了設計質(zhì)量。
2 建立優(yōu)化模型
根據(jù)支架在渦輪增壓器上的設計空間,設計出支架的初始模型。初始模型的設計不考慮肋板的布置,僅根據(jù)設計空間設計出支架的初始形貌。為了便于形貌優(yōu)化的計算,必須對初始模型進行簡化,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)化設計+學習資料圖片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,并用 CBAR單元連接。利用 PSHELL單元對支架進行網(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)量差會導致優(yōu)化問題不收斂。
確定支架優(yōu)化時的設計空間和非設計空間。支架作為支撐件,同時與渦輪增壓器主體和執(zhí)行器相連,兩者給支架的設計提出了一定的約束,有明確約束的區(qū)域就定為非設計空間。設計約束較為寬松的區(qū)域定為設計空間,肋板一般布置在這個區(qū)域。見圖 2。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設計+學習資料圖片2

網(wǎng)絡模型設計空間

圖 2 網(wǎng)絡模型和設計空間
3 支架模態(tài)分析

根據(jù)積累的設計經(jīng)驗,為了避免發(fā)生共振,對于設計的支架第一階頻率有一個設計的目標值。對初始設計的支架進行模態(tài)分析,分析這個設計是否達到了這個設計標準;如果沒有,就需要進行優(yōu)化分析,得到合理的肋板布局。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設計+學習資料圖片3

圖 3 模態(tài)分析圖

4 優(yōu)化分析
在進行優(yōu)化分析時要合理設定參數(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)化的效果可以適當提高肋板高度;同時根據(jù)實際情況,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,但是實際中受材料性能的限制,往往是加工不出的。

渦輪增壓器支架優(yōu)化設計+學習資料圖片4

優(yōu)化結(jié)果導出的 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,再導入專業(yè)的 CAD軟件,作為參照對初始設計進行修改,得到優(yōu)化的設計方案。
5 優(yōu)化方案分析

為了驗證優(yōu)化設計方案的可靠性,對優(yōu)化方案進行模態(tài)分析,確保其達到要求。見圖 5。

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