朱俊懿 王煊 瞿俊杰 雷汝婧

摘要： 在技術(shù)上，利用交互式設(shè)計軟件CATIA的CAD模塊，分別建立原始渦管模型和優(yōu)化渦管模型;再通過其CAE模塊，對壓氣機渦管口施加應(yīng)力，得到應(yīng)力分析圖和形變位移圖。通過對原始渦管和優(yōu)化后渦管應(yīng)力分析，得出在同等工作條件下，優(yōu)化模型比原始模型接受應(yīng)力更大，進(jìn)而工作更加可靠。創(chuàng)新點為，此方法可以縮短零件研發(fā)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.

關(guān)鍵詞： CATIA;渦輪增壓器;優(yōu)化設(shè)計

Key words： CATIA;turbocharger;optimization design

中圖分類號：U463.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0007-03

1 ?概述

為了既滿足人們的動力性需求，又滿足人們的經(jīng)濟性需求，加裝增壓器的發(fā)動機逐漸普及[1]。其中，配備渦輪增壓器的發(fā)動機，能夠在不更動原發(fā)動機排氣量的情況下把輸出功率提高到30%以上，因而許多汽車制造廠家都普及這種增壓技術(shù)來提升發(fā)動機的輸出功率，實現(xiàn)汽車的高效能化。此模型將采用CATIA零件設(shè)計、創(chuàng)成式曲面設(shè)計、創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊，通過建模—數(shù)值模擬分析路線，在不影響車輛性能和不改變發(fā)動機尺寸大小的情況下，對渦輪增壓器壓氣機蝸殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[4]。通過對比，找到原始設(shè)計上的不足，并確定最終設(shè)計方案，進(jìn)而提高渦輪增壓器的使用效率。

2 ?渦輪增壓器壓氣機及蝸殼

2.1 壓氣機工作原理

對于離心式壓氣機（如圖1），當(dāng)壓氣機工作時，空氣流經(jīng)進(jìn)氣管道，到達(dá)壓氣機葉輪。由于離心力的作用，空氣沿著壓氣機內(nèi)部流道，從葉輪中心流向葉輪的四周[2]。旋轉(zhuǎn)的葉輪給空氣附加能量，此時空氣流速、溫度和壓力均有大幅度提升，然后流入葉片式擴壓管。擴壓管內(nèi)部為漸擴形流道，空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所升高。在擴壓管中，空氣大部分動能被轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ??？諝鈴臄U壓管流出后，蝸殼把其收集起來，引向壓氣機出口位置[3]?？諝庠谖仛ぶ薪?jīng)過螺旋式通道減速增壓，完成動能轉(zhuǎn)化為壓力能的過程。

2.2 建立壓氣機蝸殼模型

選擇某一車型的渦輪增壓器，結(jié)合相關(guān)設(shè)計參數(shù)[3]，見表1，以及渦管外觀參數(shù)（如圖2），應(yīng)用CATIA參數(shù)化設(shè)計出原始渦輪增壓器蝸殼造型。在設(shè)計優(yōu)化模型時應(yīng)考慮葉輪出氣口氣體流速對蝸殼內(nèi)壁沖擊的影響，因為流體在管道內(nèi)的流場分布十分繁雜，尤其在彎管處，流體速度和壓力變化值明顯[2]。經(jīng)過計算確定最終優(yōu)化渦殼模型，為后續(xù)靜態(tài)分析提供三維模型（如圖3）。

3 ?三維模型的優(yōu)化分析

3.1 網(wǎng)格劃分

打開CATIA中Generative Structural Analysis模塊，采用Static Analysis[5]。進(jìn)入分析控制臺將零件固定面固定，點擊圖標(biāo)（），應(yīng)用材料，選取Steel進(jìn)行渲染;點擊圖標(biāo)（）選擇四面體網(wǎng)格劃分器命令，定義網(wǎng)格劃分尺寸越小，模型計算量越大，精準(zhǔn)性度越高;在形變率數(shù)值欄設(shè)置尺寸為5mm，絕對凹度設(shè)置為0.5mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖4）。

3.2 添加載荷

常用載荷為壓力載荷、分散力載荷、軸載荷和線性載荷。流體經(jīng)過渦管螺旋通道后對管道壁進(jìn)行沖擊，渦管壓力增大，因此選取壓力載荷。分別在渦輪增壓器原始模型和優(yōu)化模型渦管口內(nèi)外壁約束，在X/Y/Z方向施加30N壓力，總壓力合成為51.962Nxm（如圖5）點擊圖標(biāo)（）最后計算輸出。

3.3 優(yōu)化分析

模型計算完成，進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖所示（圖6原始模型網(wǎng)格劃分形態(tài)圖、圖7優(yōu)化模型網(wǎng)格劃分形態(tài)圖;圖8原始模型馮米斯應(yīng)力圖、圖9優(yōu)化模型馮米斯應(yīng)力圖;圖10原始模型位移顯示圖、圖11優(yōu)化模型位移顯示圖）。CATIA生成的調(diào)色板，從藍(lán)色到紅色顯示應(yīng)力逐漸變大，原始模型、優(yōu)化模型最大接受應(yīng)力分別為3.08e+006Pa和4.14e+006Pa。通過縱向?qū)Ρ?，?yōu)化后模型接受應(yīng)力條件更好。位移顯示圖中原始模型和優(yōu)化模型最大位移量分別為0.000439mm和0.000444mm。整體上，原模型形變程度大，優(yōu)化模型形變量小，證明此優(yōu)化模型在同等條件下，接受的應(yīng)力更大，工作狀況更加穩(wěn)定。

4 ?結(jié)論

通過軟件建模-數(shù)值模擬分析-實證研究的路線，對渦輪增壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與分析，利用CATIA軟件的CAD建模和其中的Static Analysis，得出優(yōu)化后的設(shè)計方案更加安全有效，工作效率更加穩(wěn)定。此方法縮短了渦輪增壓器的研發(fā)時間，可以在不影響車輛性能和駕駛員駕駛樂趣的前提下縮小發(fā)動機尺寸，降低渦輪增壓器的生產(chǎn)成本，提高公司生產(chǎn)線上的生產(chǎn)效率，最終達(dá)到降低燃油消耗的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].二版.機械工業(yè)出版社，2005.

[2]趙永勝，張松濤，韓國強，等.渦輪增壓器葉片擴壓器高速流場仿真分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2012.

[3]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992：88.

[4]寧貴欣.CATIA V5工業(yè)造型設(shè)計實例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[5]劉宏新.CATIA工程結(jié)構(gòu)分析[M].機械工業(yè)出版社，2015.