1、上海：年月中國內燃機學會第七屆學術年會論文集車用渦輪增壓器渦輪葉輪減重結構優化趙俊生，馬朝臣，胡遼平（北京理工大學機械與車輛工程學院，北京；湖南天雁機械有限責任公司，衡陽）摘要：以車用增壓器渦輪葉輪為研究對象，基于最優化設計的原理，在不改變葉型及流道并保證渦輪葉輪結構強度的基礎上，利用優化設計模塊及語言編制用戶程序，以渦輪葉輪重量最小為目標對增壓器渦輪葉輪進行了減重結構優化。在此基礎上考慮渦輪葉輪鑄造和裝配工藝等因素，確定了新型的減重渦輪葉輪結構。使得渦輪葉輪重量減少了。優化后的渦輪葉輪結構不僅節省了材料的消耗，同時使得渦輪增壓器轉子質量分配進一步趨于合理，有助于提高增壓器軸系的機械效率和可靠

2、性。強度校核及壽命分析表明，優化結果滿足使用要求。為增壓器的實際工程應用提供了參考依據。關鍵詞：有限元法；渦輪葉輪；參數化建模；結構優化壓器轉子的轉動慣量，改善渦輪葉輪與壓氣機葉引言由渦輪葉輪和壓氣機葉輪組成的轉子是渦輪輪的質量分配，提高增壓器軸系的機械效率，從而利于提高增壓器軸系的效率和可靠性。增壓器的核心零部件。前期的數值計算及試驗表明渦輪葉輪的強度儲備大大高于壓氣機葉輪的強度儲備。而渦輪葉輪材料使用昂貴的鎳基鑄造合金，價格高。同時由于這種材料的密度大大高于壓氣機葉輪的密度。使得渦輪葉輪與壓基于的渦輪葉輪結構優化渦輪葉輪有限元模型的建立增壓器渦輪葉輪工作狀態受力情況非常復雜，但主要是高速旋

3、轉的離心力。由于相對整個渦輪葉輪來說，輪轂直徑較小。盤體溫差不大。因此計算破裂轉速時，忽略溫差應力的影響。只考慮轉子高速旋轉的離心力的作用。渦輪葉輪最大直徑為。壓氣機葉輪最大直徑為。渦輪葉輪所用材料為鑄造合金，其機械性能參數嘲見表。優化時所受載荷為工程要求的最低破裂轉速。對于該型號的增壓器，其標定轉速為氣機葉輪組成的增壓器轉子質量分配很不均勻。渦輪葉輪重量是壓氣機葉輪重量的倍增壓器轉子質量分配不夠合理。因此。對渦輪葉輪進行結構優化、適當減輕轉子的重量是非常必要的。達到減少其重量、節約成本、改善轉子的質量分配的目的。目前常用的結構優化設計中較實用的是優化準則法與大型有限元分析程序的軟件集成化閣。

4、系統在機械、土木和航空航天等領域有著一最高可達。國內渦輪葉輪安全因數廣泛和良好的應用基礎，語言為結構優化設計的數值分析提供了一個很好的開發環境【，田。本文基于語言，利用的優化設計模塊編制用戶程序并結合軟件。對湖南天雁機械有限責任公司的增壓器零部件渦輪葉輪進行了結構優化設計，在不改變葉型及流道并保證增壓器性能和結構強度的基礎上有效地減輕渦輪葉輪重量，減少了材料的消耗。達到節約成本提高經濟效益的目的。力圖盡可能地降低增范圍為，因此本文在優化時取最高轉速的倍（即一）作為渦輪葉輪的所受載荷進行優化計算。從增壓器渦輪葉輪幾何模型可知。增壓器渦表渦輪葉輪機械性能參數（。）江一×腳作者簡介：趙俊生

5、（一），男，博士研究生；研究方向為動力機械結構強度、振動及可靠性。：肖接空濾論輪輪刈斷結構都睢掉復雜萁結構具有周期對稱睦，承受的載荷和約求也聵有持瑚對稱性。為減少掉的作竹和叫問充分利用渦輪引輪周期對楠，結構柏特點、以竹省計算贅繇和計算時間為保滿艷叫根處莽值的準確，用半徑勻的吲牲訊將渦輪葉輪分為廁部分包古葉片部分如；建夔導八其雜部分為優化部分存中州建模，優化的有限元掉模刪來川一周期，啦冗選取為維等參單元朗自嘲格劃分【如閣所小番譬豺輪減重結構優化數學模型如下：艷背摩擦焊端施加軸向約求并施由盱離心侖繇凈型棒拽荷矧為擴催霹的描輪州輪有限元嘲格嘲優化結構廈變最示意圖優化設計的約束條件選擇為整個模型的最大

6、等效應力應力（即最大應力）作為約柬條件。眥渦輪葉輪的重量最小為目標函數。渦輪葉目標函數：阢伍）斗。設計變量：哺狀志童毽：媳一希，表示渦輪叫輪的蕾鼙優化結果與分析本問題采川一階優化方法將日杯函數的允許誤差定為共進軒扶優化循環，迭代后由于滿足收斂條件而退出，加上初值拱教得組數據，優化結糶見裊（【州部分）為蛀優維數據、輪輪礦雕仃限兀同格掛型表月輪葉耗優化目標值與變量值的優化結果渦輪葉輪結構優化數學模型弓膳到增肛器嚏能眭渦輪葉輪軸的峰擦焊三結構優化保留】刈肛洫道結蜘小變只能叫圳端軸處持優化扦一抖優化的葬表明，粕輪葉輪軸一處兀偽督鹱鰱小聞此采用掉渦輪川輪裴蚍的外一、山許向軸州迸的方策好憂他們泣墅毓知斫優

7、化時列執表吖然分析得到的最優組數據的約柬條件鞘超過最大崔被認為，取，但一狀遺代就被認為不可這主要是受到精度的限制陽勾！【果糖度受求過高汁尊，問會越長同時南于辱慮刮結托的媳質邕受最小使得規定的位移：限值偏小所以約求條件艟亢值才會越過飯限：是從表“霸刮陳第組數據外各約艇奪心州和群腰進稈艟優化譴，生優化沒姐】定滿魁±定強旦：條”，的巧，韌值分別為，。小柏受化范閉分制擅：，），描輪時輪艘裂轉進的數倩舒析裘明枉不矧離力作用，禺輪葉輪的照上鋒效卅均發在口根處嘶軸?？變簠档模?；小臺引起輪艘的皇，避”，樅健的，全膨桐聞此上海：年月中國內燃機學會第七屆學術年會論文集選代歌圖目標函數收斂過程圖設計變量

8、收斂過程目標函數收斂情況如圖所示。圖為優化由上圖渦輪葉輪的重量的變化曲線可以看出，優化次數在第次時優化對象數據的值已基咖：，咧。嘲姍螄啪螄¨“糾矗代次羹圖約束變量隨迭代次數的變化過程強度校核前述優化時取最高轉速一的倍（即）作為渦輪葉輪的所受載荷，按照破裂準則進行優化計算，因此還需對優化結構進行強度校核和壽命分析。對減重優化前后的結構在最大標定轉速一工況下，計算了渦輪葉輪的應力分布狀況。計算結果表明在轉速下優化前后的渦輪葉輪應力分布基本一致，最大等效應力均發生在葉根處。且存在應力集中現象。優化前后的最大等效應力分別為、。所不同的是優化后的渦輪葉輪在減重孔軸心處應力較優化前增大僅為由于該

9、處為球面。因此并未出現應力集中。計算所得最大等效應力及應力集中系數見表。其中名義應力是與最大等效應力等半徑的所有節點等效應力的平均值。表優化前后最大等效應力及應力集中系數結構。足優化前優化后在工作轉速。的條件下，安全系數用屈服強度計算，仉何。（為屈服強度，為最大等效應力），優化前后的渦輪葉輪安全系數分別為和。結果表明，兩種結構的渦輪葉輪最大等效應力均小于屈服強度。由于其重量減輕引起應力水平的改善，可以抵消其絕對強度的不足，減重優化后的渦輪葉輪在強度性能上可以滿足要求。壽命分析在最大標定轉速的條件下。渦輪葉輪為有限壽命設計，疲勞失效分析的安全因子為婀”墮彘式中占為尺寸因素，口為表面質量因素，。為

10、疲勞強度，為有效應力集中系數，為最大等效應力，為材料常數，為疲勞強度應力循環次數，。為設計應力循環次數。對于減重優化前后渦輪葉輪，、口、以。、均相同，假設和相同，則據疲勞失效安全因子表達式及表數據，可得到優化后渦輪葉輪疲勞失效安全因子，與原結構相比，減重優化后的渦輪葉輪疲勞失效安全因子僅降低了。表明減重優化結果滿足疲勞壽命的使用要求。柬條件都滿足了設計要求，所以整個優化分析計算是合理的。變量、隨迭代次數的變化過程。圖為約束變量隨迭代次數的變化過程。本穩定。由圖當量應力隨迭代次數的變化情況可以看出，按最優設計參數設計的渦輪葉輪當量應力為，小于給定的約束值。可知當量應力基本為恒值，趨于穩定。設計時

11、可取第組數據作為最優設計參數。減重結構強度校核及壽命分析宣讀交流論文渦輪葉輪減重方案的最終確定結論從優化結果可得到設計參數隨最大當量應力變化曲線如圖所示，圖為最大當量應力隨設計參數的變化曲線。從圖、圖設計參數、隨最大當量應力變化曲線可知。設計變量達到給定約束的上限值而設計變量對約束條件較為敏感，最優值為。繼續增大將引起葉根處等效應力的增大而超過約束值。表列出了渦輪葉：啪啪呦螄啪螂一”拍，一腳圖最大當量應力隨設計變量變化過程：廠一。啪啪螂螂螄喲。朋，站馳塒皤御卯設計蔓上，圖最大當量應力隨設計參數變化過程輪最優化結果及調整方案。并作為減重優化后渦輪葉輪鑄造的依據?？紤]到配需要在優化方案中將凹孔外端

12、改為內六方。同時為了滿足渦輪葉輪動平衡時的去重需要。將設計參數由最優值減小為結構示意圖如圖所示。最終方案使得渦輪葉輪重量由原來的減小到，減小了。且對渦輪葉輪的鑄造工藝改動不大，有利于工程實際的應用。裹渦輪葉輪優化方案最終結果變量初擅下硪結集位上碾位收斂容差量優螺圓蔓量終方案礦豁倒，工（）將有限元分析和結構優化方法相結合，是增壓器零部件設計的一個重要途徑。本文中的優化對象為較小型號的渦輪葉輪，優化的最后方案使得渦輪葉輪重量減少了，節省材料刪力丐胬寺！圖渦輪葉輪減重結構最終方案。對于其它不同型號的渦輪葉輪，節省材料的效果將會更加明顯，從而有效地節省材料，降低成本。具有一定的經濟效益。（）渦輪葉輪重量的降低減少了渦輪葉輪與壓氣機葉輪的重量差，改善了渦輪葉輪與壓氣機質量分配，有利于提高增壓器軸系的效率和可靠性。（）渦輪葉輪轉動慣量從降低到減少了。效果不是很明顯?；诘慕Y構優化設計在解決結構優化問題時是有效的、實用的，是結構優化設計實現方法的一個重要組成部分，尤其是在大型復雜結構的優化問題上是具有其他算法無法替代的優勢。隨著