一种发动机增压器蜗壳强度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种发动机增压器蜗壳强度分析方法。所述方法包括：步骤S21：计算进出口边界条件；步骤S22：根据上述进出口边界条件计算增压器蜗壳内的瞬态流场，得到怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布；步骤S23：根据增压器涡壳数模划分有限元网格；步骤S24：根据怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布，计算整个循环内的增压器蜗壳的瞬态温度分布，其中所述循环包括怠速工况、全负荷工况及倒拖工况；步骤S25：基于上述瞬态温度分布计算整个循环内增压器蜗壳的塑性变形。本发明专利技术的方法计算更加精确、可靠。

Method for analyzing strength of spiral casing of engine supercharger

The invention discloses a method for analyzing the strength of the volute of an engine supercharger. The method comprises the following steps: step S21: Calculation of inlet and outlet boundary conditions; step S22: Calculation of transient flow field of turbocharger volute according to the import and export boundary conditions, get idle speed, full load and drag down the inner wall of the turbocharger turbine housing surface temperature distribution and heat transfer coefficient distribution condition; step S23: according to turbocharger turbine housing model finite element mesh division; step S24: according to the idle speed, full load and drag down the surface temperature distribution and heat transfer coefficient distribution inside the turbocharger turbine housing conditions, the transient temperature distribution calculation of Turbocharger Scroll in the cycle, the cycle including idling, full load and motored condition; step S25: plastic deformation calculation of the whole cycle of the turbocharger volute based on transient temperature. The method is more accurate and reliable.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽车
，特别是涉及一种发动机增压器蜗壳强度分析方法。
技术介绍
增压发动机系统在汽车领域得到日益广泛的应用，增压器蜗壳是增压发动机系统的重要构件，在设计阶段通常会对其强度进行分析。在现有技术中，采用单工况稳态分析方法对增压器蜗壳进行有限元分析。如图1所示，在现有技术中，采用稳态全负荷工况进行计算。现有技术方法包括下述步骤。步骤S11：通过一维计算得到全负荷工况下增压器蜗壳进出口边界条件；步骤S12：以一维计算结果为边界条件进行三维流体计算，得到增压器蜗壳内壁面稳态温度及换热系数(稳态流畅)；步骤S13：根据增压器蜗壳数模划分有限元网格；步骤S14：计算全负荷工况下增压器蜗壳瞬态温度分布；S15：进行机械循环计算，将三维流体计算得到的增压器蜗壳内壁面温度和换热系数与机械载荷进行热固耦合，计算得到增压器蜗壳热应力；S16：将计算得到的增压器蜗壳热应力与增压器蜗壳材料的屈服强度进行比较，以确定其是否满足设计要求。上述的计算方法能够在一定程度上对增压器蜗壳的强度进行计算与判定，但实际中发现判定结果与实际使用结果或实验检测结果有较大差异，由此导致最终的增压器蜗壳强度设计不当，严重时，需要重新开发增压器蜗壳。整体而言，该计算方法相对保守，为了达到安全目的，会无谓的增加增压器蜗壳壁厚，造成零部件质量增加，对整个发动机质量、性能、成本均不利。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。
技术实现思路
术语解释：“全负荷”是指发动机的节气门全开、吸气量最大且输出功率最大的工况。“怠速”是指发动机在无负荷的情况下运转，只需克服自身内部机件的摩擦阻力，不对外输出功率的工况。“倒拖”是指发动机是不工作的工况，也就是喷油器不喷油、不燃烧，由外部动力(如电力测功机、负载的惯性转动等)来驱动使发动机运转起来。“塑性变形”是指如果作用在物体上的外力较大，当外力的作用停止时，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变。“屈服强度”是指使材料由弹性形变变为塑性形变的应力。本专利技术的目的在于提供一种发动机增压器蜗壳强度分析方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺点。为实现上述目的，本专利技术提供一种发动机增压器蜗壳强度分析方法，所述发动机增压器蜗壳强度分析方法包括：步骤S21：计算增压器涡壳在怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的进出口边界条件；步骤S22：根据上述进出口边界条件计算怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器蜗壳内的瞬态流场，得到怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布；步骤S23：根据增压器涡壳数模划分有限元网格；步骤S24：根据怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布，计算整个循环内的增压器蜗壳的瞬态温度分布，其中所述循环包括怠速工况、全负荷工况及倒拖工况；步骤S25：基于上述瞬态温度分布计算整个循环内增压器蜗壳的塑性变形。优选地，在步骤S25中，进行至少三个循环的计算，并计算相邻两循环下的等效塑形变形。优选地，对每个循环的塑形变形进行评价，并对相邻两循环下的等效塑形变形进行评价。优选地，对于第一个循环的计算结果不进行评价。优选地，仅对增压器蜗壳内表面和外壁面处的塑性变形和/或等效塑形变形进行计算与评价。优选地，在步骤S24中，对增压器蜗壳外壁面上部施加空腔辐射外流场，对增压器蜗壳外壁面下部施加对流辐射外流场。优选地，所述发动机增压器蜗壳强度分析方法进一步包括下述步骤S26：将分析结果与试验结果进行对比，以优化分析方法。优选地，所述进出口边界条件包括进口气体流量、出口气体压力及温度。优选地，对增压器蜗壳的圆角区域及过渡区域进行网格细化。优选地，所述循环各部分的时间周期与发动机增压器蜗壳试验方法相同。本专利技术对增压器蜗壳采用多工况瞬态有限元分析方法，采用全负荷-倒拖-怠速工况循环机械载荷瞬态温度场分析方法，以排气系统冷热冲击试验方法为依据。因为以塑性材料数据进行计算，因此计算精度大为提高，其次采用全负荷-倒拖-怠速变工况分析可以考察增压器蜗壳在极短的试验周期(约5秒)冷热交替(由全负荷涡壳最高温度约800℃降到怠速涡壳最高温度约100℃)产生的塑性变形，并且能够评价相邻俩个试验循环下的等效塑性变形，从而分析更加精确。附图说明图1是现有技术中的发动机增压器蜗壳强度分析方法的示意性流程图。图2是根据本专利技术一实施例的发动机增压器蜗壳强度分析方法的示意性流程图。图3是机械循环载荷示意图。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。本申请的专利技术人在仔细研究后发现：更具体地，由于上述计算方法均采用稳态全负荷工况，而稳态计算只需要零部件的弹性材料数据，不需要考虑增压器在高温下材料的蠕变，也没有考虑材料的比热，且只进行全负荷一个计算工况，工况较为单一，与现实试验冷热冲击方式差距较大，因此计算结果与实际差距较大，并且稳态计算由于得到结果较少，因此对结果评价方式也比较单一，评价也相对保守。由于长期承受高温气体作用，工作环境相当恶劣，而增压器蜗壳不同工况下温度及温度分布对其塑性变形及等效塑性变形影响最大。本专利技术对增压器蜗壳采用多工况瞬态有限元分析方法，通过详细的三维流体分析，为增压器蜗壳提供全负荷-倒拖-怠速等工况下温度及换热系数边界条件，通过该边界条件计算全负荷-倒拖-怠速整个循环工况下瞬态温度场，并以瞬态温度场计算结果为边界条件对增压器蜗壳进行全负荷-倒拖-怠速工况下整个机械循环载荷分析，最终对塑性变形及等效塑性变形结果进行评价，用以判断增压器蜗壳工作过程中能否产生裂纹。如图2所示，本专利技术的提高增压器蜗壳有限元分析精度的方法包括以下几个步骤。步骤S21：计算增压器涡壳在怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的进出口边界条件；尤其是以一维计算方式来计算增压器涡壳全负荷工况、怠速工况及倒拖工况下的进出口边界条件，从而计算更加简单。在一个优选实施例中，所述进出口边界条件包括进口气体流量、出口气体压力及温度，但本专利技术不限于此，所述进出口边界条件也能够包括其他参数或变量。步骤S22：根据上述进出口边界条件计算增压器蜗壳内的瞬态流场，得到全负荷工况、怠速工况及倒拖工况下增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布。也就是说，根据上述进出口边界条件计算怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器蜗壳内的瞬态流场，得到怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布。可以理解的是，此处的增压器涡壳内壁面温度分布是指增压器蜗壳内流体在最邻近增压器内壁面处的温度分布，而不是增压器蜗壳内壁面本身的温度分布。步骤S23：根据增压器涡壳数模划分有限元网格。增压器涡壳数模是指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机增压器蜗壳强度分析方法，其特征在于，包括：步骤S21：计算增压器涡壳在怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的进出口边界条件；步骤S22：根据上述进出口边界条件计算怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器蜗壳内的瞬态流场，得到怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布；步骤S23：根据增压器涡壳数模划分有限元网格；步骤S24：根据怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布，计算整个循环内的增压器蜗壳的瞬态温度分布，其中所述循环包括怠速工况、全负荷工况及倒拖工况；步骤S25：基于上述瞬态温度分布计算整个循环内增压器蜗壳的塑性变形。

【技术特征摘要】
1.一种发动机增压器蜗壳强度分析方法，其特征在于，包括：步骤S21：计算增压器涡壳在怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的进出口边界条件；步骤S22：根据上述进出口边界条件计算怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器蜗壳内的瞬态流场，得到怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布；步骤S23：根据增压器涡壳数模划分有限元网格；步骤S24：根据怠速工况、全负荷工况及倒拖工况下的增压器涡壳内壁面温度分布及换热系数分布，计算整个循环内的增压器蜗壳的瞬态温度分布，其中所述循环包括怠速工况、全负荷工况及倒拖工况；步骤S25：基于上述瞬态温度分布计算整个循环内增压器蜗壳的塑性变形。2.如权利要求1所述的发动机增压器蜗壳强度分析方法，其特征在于，在步骤S25中，进行至少三个循环的计算，并计算相邻两循环下的等效塑形变形。3.如权利要求2所述的发动机增压器蜗壳强度分析方法，其特征在于，对每个循环的塑形变形进行评价，并对相邻两循环下的等效塑形变形进行评价。4.如权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀国微，魏丕勇，秦向飞，李海生，
申请(专利权)人：北汽福田汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11