基于流固耦合增压器叶轮应力应变分析

王金博　王金业　高艳红

摘要：首先通过三维建模软件SolidWorks建立叶轮模型，然后利用ANSYS Workbench流体动力学分析模块ANSYS CFX进行内部流场数值计算，获得增压器内气流流场对叶轮压力的分布规律。在此基礎上，对叶轮进行流固耦合分析，分析得到叶轮在受到流场压力，自身重力及旋转离心力综合作用下叶轮的应力及应变分布规律。

关键词：增压器叶轮；ANSYS Workbench；流固耦合

中图分类号：TH114文献标识码：A

涡轮增压器是一种以内燃机工作所产生的废气为驱动的空气压缩机[1]。涡轮增压器其工作转速为20004000r/min，叶轮在高速旋转时，受到自身重力，离心力以及气流的反作用力，为了解叶轮在工作过程中应力应变情况，本文采用单向耦合方法，利用有限元分析软件ANSYS Workbench对增压器叶轮应力应变及静强度进行了分析。

1 模型建立与数值计算

1.1 模型建立及网格划分

通过建模软件SolidWorks建立叶轮三维实体模型，如图1所示；将模型保存成ANSYS Workbench可以识别的格式（stp格式）。

启动ANSYSY Workbench，打开静力学分析模块，导入三维实体模型；添加材料铝合金；采用四面体法对叶轮进行网格划分，网格尺寸选择1mm，生成网格，如图2所示，网格模型总共包含178730个节点，102743个单元[2]。

1.2 材料属性及边界条件设定

叶轮材料是铝合金，材料属性为：2720kg/m3，弹性模量：75GPa，泊松比：0.33，抗拉强度：523MPa，屈服强度：461MPa[3]。

在叶轮工作时，受重力作用，重力加速度取9.80m/s2；叶轮绕中间轴做回转运动，故约束即在中心孔位置；叶轮在转速为418.67rad/s。

1.3 流固耦合过程

在增压器运行时，叶轮在流场中的变形较小，故本文采用单向流固耦合方法进行求解，忽略固体变形对流场的影响。

1.4 应力应变仿真结果与分析

通过ANSYS Workbench进行静力学分析可以得到叶轮总变形云图和等效应力云图，如图2、图3所示。

1）分析叶轮总变形云图（图3），可得到结果：叶轮最大变形发生在叶片末端，最大变形量为：2.45×104mm；变形趋势从叶片根部到叶片边缘变形量逐渐增大，叶尖处变形最大。经计算，叶片许用挠度0.002mm，许用挠度值大于叶轮最大变形量，故刚度符合要求。

2）分析叶轮等效应力云图（图4），可得结果：叶片与轮毂连接处应力比较集中，也是叶片最容易断裂的位置，应力变化范围在1.6×104～1.163MPa之间，而铝合金最大许用应力231MPa。叶轮许用应力远大于叶轮在工作时所受到应力，故叶轮强度满足要求。

2 结论

本文通过有限元软件ANSYS Workbench对叶轮进行静力学分析，结果表明：

1） 刚度方面，叶轮的变形量小于其许用挠度，故刚度满足要求。

2）强度方面，叶轮许用应力远大于叶轮在工作时所受到应力，故强度满足要求。

参考文献：

[1]罗君杰.基于实验模态分析的涡轮增压器振动研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[2]黄志新，刘成柱.Workbench14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3]胡耀阳.航空铝合金坯料残余应力及其控制措施的研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2013.

基金项目：河北省增材制造产业技术研究院建设与运行（169676320H）

作者简介：王金博（1991），男，河北邢台人，硕士。

通讯作者：王金业（1983），男，河北邢台人，硕士，工程师。