基于流固耦合的增壓器渦輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

高旭南 倪計(jì)民 石秀勇 王琦瑋 孫東升 閆安

（1-同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院上海2018042-大連華升精密鑄造有限公司）

基于流固耦合的增壓器渦輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

高旭南1倪計(jì)民1石秀勇1王琦瑋1孫東升2閆安2

（1-同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院上海2018042-大連華升精密鑄造有限公司）

采用ANSYS Workbench軟件建立渦輪流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)。首先，運(yùn)用CFX軟件對(duì)渦輪流體域進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算。隨后，將流固交接面的溫度、壓力分布場(chǎng)加載到渦輪固體域表面，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算。最后，運(yùn)用ANSYS軟件有限元分析模塊對(duì)渦輪考慮氣動(dòng)溫度載荷、壓力載荷和離心力載荷的進(jìn)行綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算研究。結(jié)果表明，所分析的渦輪葉片根部的中間部分及近出口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，與用戶(hù)反饋的該款增壓器使用中渦輪葉片斷裂部位較為吻合。

渦輪增壓器渦輪葉片流固耦合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

引言

渦輪是渦輪增壓器的重要組件，直接與高溫燃?xì)饨佑|，是渦輪增壓器中工作環(huán)境最?lèi)毫拥牟考弧u輪葉片受到高溫排氣的熱載荷、氣動(dòng)沖擊載荷，以及高速旋轉(zhuǎn)的離心力載荷，載荷分布情況復(fù)雜[1，2]。

以往對(duì)于增壓器渦輪葉片強(qiáng)度分析，通常只考慮離心力載荷，與渦輪實(shí)際工作環(huán)境不符，不能準(zhǔn)確反映渦輪工作過(guò)程中的真實(shí)受力情況[3，4]。為此，在實(shí)際研究中，運(yùn)用流固耦合的方法，綜合考慮熱載荷、氣動(dòng)載荷和離心力載荷對(duì)葉片強(qiáng)度的影響，對(duì)渦輪葉片強(qiáng)度的研究和渦輪的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有實(shí)際意義[5～7]。

本文以發(fā)生葉片斷裂的某款渦輪為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件搭建渦輪流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)，采用CFX軟件對(duì)渦輪流體域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，隨后將流固交接面的溫度、壓力分布場(chǎng)加載到渦輪固體域表面，采用ANSYS Static Structural模塊進(jìn)行渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，旨在探究渦輪流固耦合仿真計(jì)算方法，確定渦輪葉片破壞的初步原因，為渦輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 流固耦合計(jì)算方法

根據(jù)計(jì)算方法的不同，流固耦合可以分為強(qiáng)耦合和弱耦合。

強(qiáng)耦合是指構(gòu)建出流體域和固體域的統(tǒng)一控制方程，然后對(duì)控制方程進(jìn)行求解，即同時(shí)求解多個(gè)變量[8]。然而，由于控制方程較為復(fù)雜且不易收斂，同時(shí)要求流體域和固體域的網(wǎng)格一致，強(qiáng)耦合方法目前主要應(yīng)用于理論研究。

弱耦合是指選擇不同的求解器，分別對(duì)流體域和固體域求解，運(yùn)用流固耦合平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，其特點(diǎn)是可以根據(jù)研究對(duì)象的工作特性，對(duì)流體域和固體域分別選擇最合適的求解器進(jìn)行計(jì)算，通用性較強(qiáng)，計(jì)算收斂較快且結(jié)果較為準(zhǔn)確，常用于工程應(yīng)用[9，10]。

本文根據(jù)研究對(duì)象的工作特性，選用弱耦合方法，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件搭建流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)，使用CFX軟件進(jìn)行流體域仿真計(jì)算，通過(guò)仿真計(jì)算平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳遞到固體域，并運(yùn)用ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)固體域進(jìn)行求解。本研究的流固耦合計(jì)算分析流程如圖1所示。

圖1 渦輪流固耦合計(jì)算分析流程

2 研究對(duì)象與流固耦合計(jì)算平臺(tái)搭建

2.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是某款柴油機(jī)增壓器渦輪，根據(jù)用戶(hù)反饋，該增壓器在使用過(guò)程中出現(xiàn)了渦輪葉片斷裂現(xiàn)象，故障出現(xiàn)概率較高，因此針對(duì)該款增壓器的渦輪進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算研究，以探究其破壞原因。該款增壓器渦輪葉片損壞情況如圖2所示。

圖2 增壓器渦輪葉片損壞情況

由圖2可以看出，該渦輪葉片發(fā)生斷裂的區(qū)域?yàn)槿~片根部近出口處，由葉片根部斷裂導(dǎo)致葉片大面積脫落。

2.2 流固耦合計(jì)算平臺(tái)搭建

運(yùn)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)的搭建，分別選取CFX、Steady-State Thermal、Static Structural模塊進(jìn)行流體域CFD計(jì)算、固體域穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，各模塊間通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)如圖3所示。

圖3 流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)

計(jì)算過(guò)程中，流體域的仿真計(jì)算結(jié)果由CFX軟件計(jì)算后直接導(dǎo)入，隨后將流固交接面的壓力、溫度分布數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)連線(xiàn)分別傳遞到Static Structural和Steady-State Thermal模塊，在Steady-State Thermal模塊中對(duì)固體域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算，將計(jì)算得到的固體域溫度分布傳遞到Static Structural模塊，最后運(yùn)用Static Structural模塊進(jìn)行考慮氣動(dòng)熱應(yīng)力、氣動(dòng)壓應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)離心力的綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

3 渦輪流體域計(jì)算研究

3.1 渦輪流體域計(jì)算模型

3.1.1 流體域網(wǎng)格模型

根據(jù)增壓器的裝配模型，運(yùn)用UG軟件提取出渦輪端流體域幾何模型，并分為渦殼流道和渦輪流道兩部分，運(yùn)用ICEM軟件對(duì)渦輪流體域劃分計(jì)算網(wǎng)格。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定渦輪流體域的網(wǎng)格單元數(shù)為2073616，其中渦輪流道的網(wǎng)格單元數(shù)為1548237，渦殼流道的網(wǎng)格單元數(shù)為525379。渦輪流體域計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 渦輪流體域計(jì)算網(wǎng)格

3.1.2 湍流模型和邊界條件

選用剪切壓力傳輸（SST k-ω）模型作為本研究的湍流模型。SST k-ω兩方程模型是由Menter提出和發(fā)展的湍流模型，其在近壁面使用k-ω方程，而在流場(chǎng)其他區(qū)域采用k-ε方程，能夠充分發(fā)揮k-ω方程對(duì)于邊界層流動(dòng)計(jì)算和k-ε方程對(duì)于自由剪切層計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保證流固耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性。

SST k-ω湍流模型方程如下：

式中：Gk為由速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Gω為ω方程，Γk和Γω分別為k方程和ω方程的有效擴(kuò)散項(xiàng)，Yk和Yω分別為k和ω的發(fā)散項(xiàng)，Dω表示湍流的正交發(fā)散項(xiàng)。

本渦輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為120000 r/min，膨脹比2.4，進(jìn)口總溫982K。選用進(jìn)口總壓-出口靜壓邊界條件，進(jìn)口總壓為240 kPa，出口靜壓為100kPa，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1/w，即0.0005 s。

葉片流道區(qū)域和渦殼流道區(qū)域的交接面設(shè)置為Frozen Rotor（凍結(jié)轉(zhuǎn)子）交接面，兩區(qū)域的網(wǎng)格采用General Grid Interfaces（GGI）技術(shù)進(jìn)行連接。渦殼壁面采用無(wú)滑移、絕熱的邊界條件，并選用自動(dòng)壁面函數(shù)。

3.2 渦輪流體域計(jì)算結(jié)果

對(duì)渦輪流體域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算得到的流固交接面溫度、壓力分布分別如圖5和圖6所示。

圖5 渦輪流固交接面溫度分布

圖6 渦輪流固交接面壓力分布

由圖5和圖6可以看出，渦輪流固交接面的最高溫度為927.2K，最高壓力為0.1739 MPa，集中于渦輪入口葉尖附近。分析認(rèn)為，高溫排氣經(jīng)過(guò)渦輪噴嘴隨后在渦輪流道內(nèi)膨脹做功，溫度和壓力逐漸降低，因此，渦輪入口處的溫度和壓力最高。

4 渦輪流固耦合強(qiáng)度計(jì)算研究

4.1 渦輪結(jié)構(gòu)模型和材料屬性

運(yùn)用ANSYS Mechanical模塊自帶的網(wǎng)格劃分工具對(duì)渦輪固體域劃分計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為131282，網(wǎng)格總單元數(shù)為73893。渦輪固體域網(wǎng)格如圖7所示。

為了獲得該渦輪材料的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)同批次材料進(jìn)行試棒拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)依照GB/T 228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)得的抗拉屈服強(qiáng)度為757.88MPa，其他屬性根據(jù)材料數(shù)據(jù)庫(kù)確定。最終確定的材料性能參數(shù)如表1所示。

圖7 渦輪固體域網(wǎng)格

表1 渦輪材料性能參數(shù)

4.2 渦輪固體域熱計(jì)算

將渦輪流體域仿真計(jì)算得到的流固交接面溫度分布通過(guò)流固耦合計(jì)算平臺(tái)加載到固體域表面，運(yùn)用Steady-State Thermal模塊對(duì)渦輪固體域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算。

氣體與渦輪的對(duì)流換熱系數(shù)較難確定，通過(guò)查詢(xún)大量資料并結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，取對(duì)流換熱系數(shù)為8000 W/℃·m2。

計(jì)算得到的渦輪固體域溫度分布如圖8所示。

圖8 渦輪固體域溫度分布

由圖8可以看出，由于渦輪固體域熱場(chǎng)是將流體域的計(jì)算結(jié)果作為邊界條件，因此渦輪表面溫度分布與流固交接面流體的溫度分布情況一致，渦輪內(nèi)部溫度分布為固體域熱應(yīng)力計(jì)算提供條件。

4.3 渦輪綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

4.3.1 渦輪固體域載荷的施加

運(yùn)用Static Structural模塊對(duì)渦輪進(jìn)行綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，本研究共考慮了氣動(dòng)熱載荷、氣動(dòng)壓力載荷和旋轉(zhuǎn)離心力三個(gè)方面的載荷，各載荷的加載方法如下：

1）氣動(dòng)溫度載荷。將渦輪固體域穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算得到的渦輪固體域溫度分布通過(guò)流固耦合計(jì)算平臺(tái)傳遞到Static Structural模塊中，作為氣動(dòng)溫度載荷；

2）氣動(dòng)壓力載荷。將渦輪流體域計(jì)算得到的流固交接面壓力分布作為氣動(dòng)壓力載荷，加載到渦輪固體域表面。

3）旋轉(zhuǎn)離心力載荷。對(duì)渦輪施加三個(gè)方向的平移約束及兩個(gè)非軸線(xiàn)方向的旋轉(zhuǎn)約束，僅保留軸線(xiàn)方向的旋轉(zhuǎn)自由度，并施加慣性載荷，即設(shè)置渦輪旋轉(zhuǎn)速度為120000 r/min。

4.3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算所依據(jù)的靜力學(xué)有限元方程為：

隨后，由第四強(qiáng)度理論得到等效應(yīng)力：

式中：F和u分別為節(jié)點(diǎn)所受到的力和相應(yīng)的位移，K、D、B分別為剛度矩陣、彈性矩陣和應(yīng)變矩陣。

計(jì)算得到的渦輪等效應(yīng)力分布圖、總變形量分布圖和安全系數(shù)分別如圖9和圖10所示。

圖9 渦輪等效應(yīng)力分布圖

圖10 渦輪安全系數(shù)

由圖9可以看出，渦輪葉片根部的中部和近出口處可見(jiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力梯度較大，最大應(yīng)力為210.44MPa，小于渦輪材料的屈服強(qiáng)度，雖不會(huì)發(fā)生靜力破壞，但需要對(duì)渦輪進(jìn)行進(jìn)一步疲勞強(qiáng)度研究，方能確定是否發(fā)生疲勞破壞。

由圖9與圖5（渦輪流固交接面溫度分布）、圖6（渦輪流固交接面壓力分布）對(duì)比可以看出，考慮氣動(dòng)載荷和離心力載荷時(shí)的渦輪應(yīng)力分布情況與渦輪表面氣動(dòng)溫度、壓力分布場(chǎng)有明顯差別。分析認(rèn)為，渦輪的工作環(huán)境較為惡劣，受到復(fù)雜載荷的作用，因此，對(duì)渦輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究時(shí)，單純考慮其中部分載荷并不能準(zhǔn)確反映渦輪的實(shí)際應(yīng)力分布情況，需要綜合考慮氣動(dòng)載荷和離心力載荷，進(jìn)行流固耦合計(jì)算分析研究。

由圖10可以看出，渦輪大部分區(qū)域的安全系數(shù)為15，在葉片根部由于存在應(yīng)力集中，其安全系數(shù)最小，最小值為3.602。仿真計(jì)算得到的應(yīng)力集中區(qū)域與圖2所示的葉片實(shí)際斷裂區(qū)域較為接近，可以認(rèn)為渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算較為準(zhǔn)確。分析認(rèn)為，雖然渦輪靜力強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但是在工作過(guò)程中，葉片根部應(yīng)力分布階梯較為密集且受到交變載荷的作用，易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致葉片斷裂，葉片根部應(yīng)力集中的主要原因?yàn)檫^(guò)渡圓角半徑較小。因此，在保證渦輪氣動(dòng)性能不變和鑄造工藝允許的前提下，可適當(dāng)加大葉片根部過(guò)渡圓角的半徑或加大葉片根部厚度。

5 結(jié)論

1）運(yùn)用ANSYS Workbench軟件建立渦輪流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)，能夠合理地選擇流體域和固體域計(jì)算所使用的求解器，且各求解器間數(shù)據(jù)傳輸便捷，能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求，為渦輪設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2）由圖5（渦輪流固交接面溫度分布）、圖6（渦輪流固交接面壓力分布）、圖9（渦輪等效應(yīng)力分布圖）對(duì)比，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)離心力載荷情況可以得出，對(duì)于渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算，僅考慮旋轉(zhuǎn)離心力載荷是不準(zhǔn)確的，應(yīng)運(yùn)用流固耦合方法，對(duì)渦輪施加氣動(dòng)壓力載荷、氣動(dòng)溫度載荷和旋轉(zhuǎn)離心力載荷。

3）由于渦輪在工作時(shí)受到交變載荷的作用，疲勞破壞是渦輪的主要破壞形式，因此需要結(jié)合渦輪工況，對(duì)渦輪進(jìn)行進(jìn)一步的疲勞壽命分析，以最終確定渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本研究所進(jìn)行的渦輪流固耦合仿真計(jì)算分析，旨在搭建流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)，在工程應(yīng)用中分析渦輪發(fā)生破壞的初步原因。仿真結(jié)果表明，本研究所建立的流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)較為可靠。

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Structural Strength Analysis of Turbo Blade Based on Fluid-Structure Interaction

Gao Xunan1，Ni Jimin1，Shi Xiuyong1，Wang Qiwei1，Sun Dongsheng2，Yan An2
1-School of Automotive Engineering，Tongji University（Shanghai，201804，China）2-Dalian Huasheng Precision Casting CO.，LTD

Turbo fluid-structure interaction simulation platform was built through the use of ANSYS Workbench software.Firstly，CFX software was used to conduct fluid dynamic calculation.Secondly，temperature and pressure distributions of fluid-solid interfaces were transmitted to solid area surfaces for steady-state thermal calculation.Thirdly，taking aerodynamic thermal load，pressure load and centrifugal load as consideration，ANSYS Static Structural was used for turbo comprehensive strength calculation study.The results indicate that the middle and outlet of blade root see stress concentration phenomenon，which is in accord with the fracture region of customers'feedbacks.

Turbocharger，Turbo blade，F(xiàn)luid-structural interaction，Structural strength

TK412+.4

A

2095-8234（2014）05-0009-05

2014-07-28）

高旭南（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇u輪增壓器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。

通迅作者：倪計(jì)民（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能與排放控制。