高旭南 倪計民 石秀勇 王琦瑋 孫東升 閆安

（1-同濟大學汽車學院上海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構強度分析

高旭南1倪計民1石秀勇1王琦瑋1孫東升2閆安2

（1-同濟大學汽車學院上海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算平臺。首先，運用CFX軟件對渦輪流體域進行流體動力學計算。隨后，將流固交接面的溫度、壓力分布場加載到渦輪固體域表面，并進行穩(wěn)態(tài)熱計算。最后，運用ANSYS軟件有限元分析模塊對渦輪考慮氣動溫度載荷、壓力載荷和離心力載荷的進行綜合結構強度計算研究。結果表明，所分析的渦輪葉片根部的中間部分及近出口處存在應力集中現象，與用戶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構強度

引言

渦輪是渦輪增壓器的重要組件，直接與高溫燃氣接觸，是渦輪增壓器中工作環(huán)境最惡劣的部件之一。渦輪葉片受到高溫排氣的熱載荷、氣動沖擊載荷，以及高速旋轉的離心力載荷，載荷分布情況復雜[1，2]。

以往對于增壓器渦輪葉片強度分析，通常只考慮離心力載荷，與渦輪實際工作環(huán)境不符，不能準確反映渦輪工作過程中的真實受力情況[3，4]。為此，在實際研究中，運用流固耦合的方法，綜合考慮熱載荷、氣動載荷和離心力載荷對葉片強度的影響，對渦輪葉片強度的研究和渦輪的設計開發(fā)具有實際意義[5～7]。

本文以發(fā)生葉片斷裂的某款渦輪為研究對象，運用ANSYS Workbench軟件搭建渦輪流固耦合仿真計算平臺，采用CFX軟件對渦輪流體域進行計算流體力學（CFD）分析，隨后將流固交接面的溫度、壓力分布場加載到渦輪固體域表面，采用ANSYS Static Structural模塊進行渦輪結構強度分析，旨在探究渦輪流固耦合仿真計算方法，確定渦輪葉片破壞的初步原因，為渦輪的設計和應用提供理論依據。

1 流固耦合計算方法

根據計算方法的不同，流固耦合可以分為強耦合和弱耦合。

強耦合是指構建出流體域和固體域的統(tǒng)一控制方程，然后對控制方程進行求解，即同時求解多個變量[8]。然而，由于控制方程較為復雜且不易收斂，同時要求流體域和固體域的網格一致，強耦合方法目前主要應用于理論研究。

弱耦合是指選擇不同的求解器，分別對流體域和固體域求解，運用流固耦合平臺進行數據傳遞，其特點是可以根據研究對象的工作特性，對流體域和固體域分別選擇最合適的求解器進行計算，通用性較強，計算收斂較快且結果較為準確，常用于工程應用[9，10]。

本文根據研究對象的工作特性，選用弱耦合方法，運用ANSYS Workbench軟件搭建流固耦合仿真計算平臺，使用CFX軟件進行流體域仿真計算，通過仿真計算平臺將數據傳遞到固體域，并運用ANSYS結構分析模塊對固體域進行求解。本研究的流固耦合計算分析流程如圖1所示。

圖1 渦輪流固耦合計算分析流程

2 研究對象與流固耦合計算平臺搭建

2.1 研究對象

本文的研究對象是某款柴油機增壓器渦輪，根據用戶反饋，該增壓器在使用過程中出現了渦輪葉片斷裂現象，故障出現概率較高，因此針對該款增壓器的渦輪進行流固耦合仿真計算研究，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)域為葉片根部近出口處，由葉片根部斷裂導致葉片大面積脫落。

2.2 流固耦合計算平臺搭建

運用ANSYS Workbench軟件進行流固耦合仿真計算平臺的搭建，分別選取CFX、Steady-State Thermal、Static Structural模塊進行流體域CFD計算、固體域穩(wěn)態(tài)熱計算和結構強度計算，各模塊間通過平臺進行數據傳遞。流固耦合仿真計算平臺如圖3所示。

圖3 流固耦合仿真計算平臺

計算過程中，流體域的仿真計算結果由CFX軟件計算后直接導入，隨后將流固交接面的壓力、溫度分布數據通過數據連線分別傳遞到Static Structural和Steady-State Thermal模塊，在Steady-State Thermal模塊中對固體域進行穩(wěn)態(tài)熱計算，將計算得到的固體域溫度分布傳遞到Static Structural模塊，最后運用Static Structural模塊進行考慮氣動熱應力、氣動壓應力和旋轉離心力的綜合結構強度計算。

3 渦輪流體域計算研究

3.1 渦輪流體域計算模型

3.1.1 流體域網格模型

根據增壓器的裝配模型，運用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，運用ICEM軟件對渦輪流體域劃分計算網格。通過網格無關性驗證，確定渦輪流體域的網格單元數為2073616，其中渦輪流道的網格單元數為1548237，渦殼流道的網格單元數為525379。渦輪流體域計算網格如圖4所示。

圖4 渦輪流體域計算網格

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，而在流場其他區(qū)域采用k-ε方程，能夠充分發(fā)揮k-ω方程對于邊界層流動計算和k-ε方程對于自由剪切層計算的優(yōu)勢，進而保證流固耦合計算的準確性。

SST k-ω湍流模型方程如下：

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

本渦輪的設計轉速為120000 r/min，膨脹比2.4，進口總溫982K。選用進口總壓-出口靜壓邊界條件，進口總壓為240 kPa，出口靜壓為100kPa，時間步長設置為1/w，即0.0005 s。

葉片流道區(qū)域和渦殼流道區(qū)域的交接面設置為Frozen Rotor（凍結轉子）交接面，兩區(qū)域的網格采用General Grid Interfaces（GGI）技術進行連接。渦殼壁面采用無滑移、絕熱的邊界條件，并選用自動壁面函數。

3.2 渦輪流體域計算結果

對渦輪流體域進行穩(wěn)態(tài)計算，計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。分析認為，高溫排氣經過渦輪噴嘴隨后在渦輪流道內膨脹做功，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 渦輪流固耦合強度計算研究

4.1 渦輪結構模型和材料屬性

運用ANSYS Mechanical模塊自帶的網格劃分工具對渦輪固體域劃分計算網格，網格總節(jié)點數為131282，網格總單元數為73893。渦輪固體域網格如圖7所示。

為了獲得該渦輪材料的力學性能參數，對同批次材料進行試棒拉伸試驗，試驗依照GB/T 228-2010《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》進行。試驗測得的抗拉屈服強度為757.88MPa，其他屬性根據材料數據庫確定。最終確定的材料性能參數如表1所示。

圖7 渦輪固體域網格

表1 渦輪材料性能參數

4.2 渦輪固體域熱計算

將渦輪流體域仿真計算得到的流固交接面溫度分布通過流固耦合計算平臺加載到固體域表面，運用Steady-State Thermal模塊對渦輪固體域進行穩(wěn)態(tài)熱計算。

氣體與渦輪的對流換熱系數較難確定，通過查詢大量資料并結合相關研究經驗，取對流換熱系數為8000 W/℃·m2。

計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是將流體域的計算結果作為邊界條件，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，渦輪內部溫度分布為固體域熱應力計算提供條件。

4.3 渦輪綜合結構強度計算

4.3.1 渦輪固體域載荷的施加

運用Static Structural模塊對渦輪進行綜合結構強度計算，本研究共考慮了氣動熱載荷、氣動壓力載荷和旋轉離心力三個方面的載荷，各載荷的加載方法如下：

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

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

3）旋轉離心力載荷。對渦輪施加三個方向的平移約束及兩個非軸線方向的旋轉約束，僅保留軸線方向的旋轉自由度，并施加慣性載荷，即設置渦輪旋轉速度為120000 r/min。

4.3.2 結構強度計算結果

渦輪結構強度計算所依據的靜力學有限元方程為：

隨后，由第四強度理論得到等效應力：

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

計算得到的渦輪等效應力分布圖、總變形量分布圖和安全系數分別如圖9和圖10所示。

圖9 渦輪等效應力分布圖

圖10 渦輪安全系數

由圖9可以看出，渦輪葉片根部的中部和近出口處可見應力集中現象，應力梯度較大，最大應力為210.44MPa，小于渦輪材料的屈服強度，雖不會發(fā)生靜力破壞，但需要對渦輪進行進一步疲勞強度研究，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）對比可以看出，考慮氣動載荷和離心力載荷時的渦輪應力分布情況與渦輪表面氣動溫度、壓力分布場有明顯差別。分析認為，渦輪的工作環(huán)境較為惡劣，受到復雜載荷的作用，因此，對渦輪進行結構強度研究時，單純考慮其中部分載荷并不能準確反映渦輪的實際應力分布情況，需要綜合考慮氣動載荷和離心力載荷，進行流固耦合計算分析研究。

由圖10可以看出，渦輪大部分區(qū)域的安全系數為15，在葉片根部由于存在應力集中，其安全系數最小，最小值為3.602。仿真計算得到的應力集中區(qū)域與圖2所示的葉片實際斷裂區(qū)域較為接近，可以認為渦輪結構強度仿真計算較為準確。分析認為，雖然渦輪靜力強度滿足要求，但是在工作過程中，葉片根部應力分布階梯較為密集且受到交變載荷的作用，易產生裂紋，進而導致葉片斷裂，葉片根部應力集中的主要原因為過渡圓角半徑較小。因此，在保證渦輪氣動性能不變和鑄造工藝允許的前提下，可適當加大葉片根部過渡圓角的半徑或加大葉片根部厚度。

5 結論

1）運用ANSYS Workbench軟件建立渦輪流固耦合仿真計算平臺，能夠合理地選擇流體域和固體域計算所使用的求解器，且各求解器間數據傳輸便捷，能夠滿足工程應用的要求，為渦輪設計、應用提供理論依據。

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（渦輪等效應力分布圖）對比，并結合旋轉離心力載荷情況可以得出，對于渦輪結構強度仿真計算，僅考慮旋轉離心力載荷是不準確的，應運用流固耦合方法，對渦輪施加氣動壓力載荷、氣動溫度載荷和旋轉離心力載荷。

3）由于渦輪在工作時受到交變載荷的作用，疲勞破壞是渦輪的主要破壞形式，因此需要結合渦輪工況，對渦輪進行進一步的疲勞壽命分析，以最終確定渦輪結構設計的合理性。本研究所進行的渦輪流固耦合仿真計算分析，旨在搭建流固耦合仿真計算平臺，在工程應用中分析渦輪發(fā)生破壞的初步原因。仿真結果表明，本研究所建立的流固耦合仿真計算平臺較為可靠。

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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，Fluid-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，主要研究方向為渦輪增壓器結構強度研究。

通迅作者：倪計民（1963-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為發(fā)動機節(jié)能與排放控制。