广州有道有限元培训_涡轮增压器支架优化设计

本文利用 HyperWorks中的形貌优化工具，对涡轮增压器支架进行优化，提高支架的刚度避免共振。涡轮增压器在高性能发动机中有着广泛的应用，放置在支架上的执行器对控制压缩比起着关键性的作用；支架的工作环境恶劣，共振是支架破坏的主要原因。利用形貌优化工具可以得到支架肋板的较佳布局，不仅提高了设计的质量，而且减少了设计时间。

1 概述
涡轮增压器是现在高性能发动机的一个重要组成部分，随着技术的不断进步，对涡轮增压器可控性的要求越来越高，各种控制元件相继应用在了涡轮增压器上。涡轮增压器支架就是支撑执行器的重要部件，支架的工作环境恶劣，共振是支架破坏的主要原因。在设计支架中，一个主要任务就是提高支架的刚度，避免共振的发生。
HyperWorks中的形貌优化工具，可以按照设计的要求，优化出支架肋板的较佳布局，这样可以节省设计的时间，而且提高了设计质量。
2 建立优化模型
根据支架在涡轮增压器上的设计空间，设计出支架的初始模型。初始模型的设计不考虑肋板的布置，仅根据设计空间设计出支架的初始形貌。为了便于形貌优化的计算，*对初始模型进行简化，利用 HyperWorks中的 midsurface工具，抽取支架模型的中面。见图 1。

图 1 原始模型及模型中面图
利用 HyperWorks中 CONM2单元将执行器简化为质点，并用 CBAR单元连接。利用 PSHELL单元对支架进行网格划分，为了增加优化的质量，要对网格的密度和质量进行控制。网格密度对优化出的结果有较大的影响，网格质量差会导致优化问题不收敛。
确定支架优化时的设计空间和非设计空间。支架作为支撑件，同时与涡轮增压器主体和执行器相连，两者给支架的设计提出了一定的约束，有明确约束的区域就定为非设计空间。设计约束较为宽松的区域定为设计空间，肋板一般布置在这个区域。见图 2。

网络模型设计空间

图 2 网络模型和设计空间
3 支架模态分析

根据积累的设计经验，为了避免发生共振，对于设计的支架*一阶频率有一个设计的目标值。对初始设计的支架进行模态分析，分析这个设计是否达到了这个设计标准；如果没有，就需要进行优化分析，得到合理的肋板布局。

图 3 模态分析图

4 优化分析
在进行优化分析时要合理设定参数，可以帮助提高优化的效果，并且使优化的结果更加具有实用性。首先要肋板布置的方向，双方向的肋板布局优化效果较好，但是加工难度大；单向的肋板布局加工方便，为了提高优化的效果可以适当提高肋板高度；同时根据实际情况，确定单向肋板的布局方向。见图 4。合理的肋板高度不仅可以得到较好的优化效果而且使实用性得到了*；较大的肋板高度可以提高优化效果，但是实际中受材料性能的限制，往往是加工不出的。