某型增壓器用卡箍高度非線性熱-結構耦合分析

（湖南天雁機械有限責任公司增壓器研究所，衡陽421005）

某型增壓器用卡箍高度非線性熱-結構耦合分析

劉惠軍，袁 普，龍 鑫，張雙宏，陳少林

（湖南天雁機械有限責任公司增壓器研究所，衡陽421005）

汽油機增壓器在高溫高轉速工作條件下，卡箍的可靠性對增壓器至關重要。本文主要研究高溫條件下，預緊力與熱應力耦合作用對卡箍可靠性的影響，并確立卡箍的最佳預緊力。卡箍作用于渦輪與排氣接管的緊固效果是通過接觸面的接觸壓力效果來表征，接觸壓力在連接件上的接觸面上分布均勻，且不致卡箍失效。

增壓器 卡箍 預緊力 接觸壓力

1 引言

內燃機采用渦輪增壓技術有很多優勢[1～3]，如提高升功率、降低內燃機的比油耗和比體積、降低污染排放等[4]。由于增壓器工作環境惡劣，對零部件的結構強度要求也隨之提高。卡箍作為渦輪與排氣接管的連接結構工作在高溫環境下，這嚴重影響卡箍的強度，對其連接效果提出了更高的要求[5]。

在高溫狀態下如果卡箍螺栓預緊力足夠大會造成卡箍較大的塑性變形。因此研究卡箍在高溫及不同預緊力作用下是否滿足設計要求有非常重要的現實意義。

接觸表面間的相互作用包括2個部分：一個是垂直于接觸面，另一個與沿接觸面相切。垂直于接觸面的內容有接觸壓力，沿著接觸面的內容則是相對滑移產生的摩擦力。本文在分析過程中關注的重點就是垂直于接觸面上的接觸壓力，同時由于構件的特殊性產生了相對移動，接觸區域有一部分因滑移產生了摩擦作用。

2 有限元模型及邊界條件

非線性分析是結構分析的難點，也是結構分析中的重點。非線性分析包括接觸非線性、材料非線性、幾何非線性。本文在分析過中采用了接觸非線性和材料非線性分析。在2個非線性分析過程中使用的有限元模型相同，但在螺栓上施加的預緊力則不同，預緊力的施加值見表1。本文采用UG軟件建立三維模型，利用Ansys軟件進行網格劃分和有限

元計算。單元類型采用10節點四面體二階單元。

來稿日期：2013-06-22

表1 各方案擰緊扭矩值

圖1 卡箍組件的有限元模型

接觸類型均采用標準接觸。標準接觸類型是一種高度非線性接觸類型，在求解過程中接觸面上法向力可為零。如圖1所示，約束施加在2個位置。約束位置1位于卡箍尾端全約束，約束位置2位于法蘭盤側端面。

在熱分析過程中，卡箍外壁模擬環境溫度及與空氣熱對流，施加80℃溫度，對流系換熱數為45× 10-6W/(mm·℃)；法蘭盤內壁模擬發動機排氣及排氣與壓氣機蝸殼進行熱對流，施加950℃溫度，對流系換熱數為900×10-6W/(mm·℃)。

卡箍螺栓擰緊扭矩T和預緊力相關參數見表1。二者的關系如下式：

T=K·d·F

其中，K為螺栓擰緊扭矩系數，此處取K= 0.2；d為螺栓公稱直徑，d=6 mm。通過上式可以求得預緊力F=8.33 kN。卡箍材料采用SUS304，法蘭盤根預緊螺栓采用耐高溫鋼，各種材料參數見表2。

本文采用UG軟件建立三維模型，利用Ansys軟件進行網格劃分和有限元計算，單元類型采用10節點四面體二階單元。

3 結果對比分析

卡箍組件在該課題的不同扭矩及高溫作用下使得卡箍采用的材料進入塑性區，導致卡箍的應力值與載荷不成比例關系。在分析卡箍組件的過程中，為保證卡箍能在試驗中產生足夠大的軸向力，接觸壓力越大越好，且卡箍在螺栓擰緊扭矩作用下，卡箍不發生大面積的塑性變形。

3.1 卡箍組件溫度分布

在本文中，溫度場作為結構分析的邊界條件。卡箍外壁模擬環境溫度及與空氣熱對流，施加80℃溫度，對流系換熱數為45×10-6W/(mm·℃)；法蘭盤內壁模擬發動機排氣及排氣與壓氣機蝸殼進行熱對流，施加950℃溫度，對流系換熱數為900×10-6W/ (mm·℃)。求解結果表明，卡箍中間段溫度較高，最高達797.6℃，兩端溫度最低，最低為570.3℃，見圖2。

表2 不同溫度下材料力學性能參數

3.2 考察點的接觸壓力分析

在卡箍的接觸區域均勻選取8個節點，節點選取法蘭盤與卡箍接觸區域最外層單元的內側節點。

這是因為接觸區域外層單元的接觸壓力結果在施加的這幾種扭矩接觸壓力大部分都存在，便于觀測結果，接觸域的內側單元在外載荷作用下接觸壓力基本上都為零；其次，外層單元接觸壓力值變化趨勢太大，不利于分析擰緊力矩與接觸壓力之間的關系。

考察點選取的位置見圖3。為了簡化分析過程只取卡箍的一側。由于卡箍組件是對稱結構，只要螺栓預緊力施加得當，則另一側結果應該與考察點側一致。考察點在接觸面上的節點編號見表3。

圖2 卡箍組件溫度分布圖

圖3 考察點分布圖

考察點在不同扭矩作用下的接觸壓力變化曲線見圖4。在同一扭矩作用下，考察點4、6均表現為較小的接觸壓力。說明在卡箍中間位置兩側接觸效果差，這與我公司在試驗中遇到的情況一致，中間部位可能會因為接觸壓力不夠而發生漏氣；在扭矩為6 N·m時考察點1、8的接觸壓力最大。說明在較小扭矩作用時接觸域兩端能形成較好的接觸；在其它扭矩作用下，考察點5和8處的接觸壓力較大。說明較大扭矩作用時靠近螺栓一側會出現較大的接觸壓力。

表3 考察點有限元模型中對應節點編號

圖4 考察點在不同扭矩下的接觸壓力

3.3 卡箍強度及變形分析

卡箍在不同扭矩作用下的等效應力分布和變形，見圖5和圖6。由于預緊螺栓及卡箍約束造成的大塑性應力在本文中不作考慮，如圖5卡箍的兩端紅色區域，扭矩6～8 N·m之間的卡箍等效應力不會超過卡箍材料的屈服極限，而在9～10 N·m時卡箍材料發生了屈服。

4 結論

（1）通過熱-結構耦合分析計算可知：在接觸壓力與卡箍強度總體滿足設計要求的前提下，卡箍擰緊扭矩取8 N·m最合適。

（2）在螺栓擰緊扭矩作用下，不同部位的接觸壓力并不隨擰緊扭矩的增大而增大，局部甚至會減小。

（3）卡箍在擰緊扭矩作用下的塑性變形主要出現在螺栓預緊端始端接觸位置附近。

圖5 在不同扭矩下卡箍的等效應力分布

圖6 在不同扭矩下卡箍的沿螺栓軸向變形分布

1趙雨旸，王東勝．增壓器[M]．北京：化學工業出版社，2005．

2 Kesgin U．Effect of Turbocharging System on the Performance of a Natural Gas Engine[J]．Energy Conversion and Management,2005,46(1):11-32．

3 Korakianitis T,Sadoi T．Turbocharger-Design Effects on Gasoline-Engine Performance[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines Power,2005, 127(3):525-530．

4朱逸飛．汽油機渦輪增壓器逆向設計研究[D]．南京理工大學，2008．

5朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器[M]．北京：機械工業出版社，1992．

Analysis on Advanced Non-linear Thermal Structural Clamp of Turbocharger

Liu Huijun,Yuan Pu,Long Xin,Zhuang Shuanghong,Chen Shaolin
（Turbochargers Research Institute,Hunan Tyen Machinery Co.,Ltd.,Hengyang 421005,China）

The clamp is critical to th e turbocharger of a gasoline engine when it operates in an environment of high temperature and high speed.This paper mainly studies the influence of preloaded force and thermal stress coupling field on the reliability of the clamp,and establishes the best preloaded force.The effect of fastening of the clamp acting on turbine housing and exhaust pipe is demonstrated by the effect of the pressure on the contact surface.The analysis shows that the contacting pressure is uniformly distributed on the contact surface of the studied connector,and the clamp is not failed.

turbocharger,clamp,preloaded force,contact pressure

劉惠軍（1978-），男，工程師，主要研究方向為發動機與增壓器匹配技術和增壓器設計。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.007