某型增压器用卡箍高度非线性热-结构耦合分析

（湖南天雁机械有限责任公司增压器研究所，衡阳421005）

某型增压器用卡箍高度非线性热-结构耦合分析

刘惠军，袁 普，龙 鑫，张双宏，陈少林

（湖南天雁机械有限责任公司增压器研究所，衡阳421005）

汽油机增压器在高温高转速工作条件下，卡箍的可靠性对增压器至关重要。本文主要研究高温条件下，预紧力与热应力耦合作用对卡箍可靠性的影响，并确立卡箍的最佳预紧力。卡箍作用于涡轮与排气接管的紧固效果是通过接触面的接触压力效果来表征，接触压力在连接件上的接触面上分布均匀，且不致卡箍失效。

增压器 卡箍 预紧力 接触压力

1 引言

内燃机采用涡轮增压技术有很多优势[1～3]，如提高升功率、降低内燃机的比油耗和比体积、降低污染排放等[4]。由于增压器工作环境恶劣，对零部件的结构强度要求也随之提高。卡箍作为涡轮与排气接管的连接结构工作在高温环境下，这严重影响卡箍的强度，对其连接效果提出了更高的要求[5]。

在高温状态下如果卡箍螺栓预紧力足够大会造成卡箍较大的塑性变形。因此研究卡箍在高温及不同预紧力作用下是否满足设计要求有非常重要的现实意义。

接触表面间的相互作用包括2个部分：一个是垂直于接触面，另一个与沿接触面相切。垂直于接触面的内容有接触压力，沿着接触面的内容则是相对滑移产生的摩擦力。本文在分析过程中关注的重点就是垂直于接触面上的接触压力，同时由于构件的特殊性产生了相对移动，接触区域有一部分因滑移产生了摩擦作用。

2 有限元模型及边界条件

非线性分析是结构分析的难点，也是结构分析中的重点。非线性分析包括接触非线性、材料非线性、几何非线性。本文在分析过中采用了接触非线性和材料非线性分析。在2个非线性分析过程中使用的有限元模型相同，但在螺栓上施加的预紧力则不同，预紧力的施加值见表1。本文采用UG软件建立三维模型，利用Ansys软件进行网格划分和有限

元计算。单元类型采用10节点四面体二阶单元。

来稿日期：2013-06-22

表1 各方案拧紧扭矩值

图1 卡箍组件的有限元模型

接触类型均采用标准接触。标准接触类型是一种高度非线性接触类型，在求解过程中接触面上法向力可为零。如图1所示，约束施加在2个位置。约束位置1位于卡箍尾端全约束，约束位置2位于法兰盘侧端面。

在热分析过程中，卡箍外壁模拟环境温度及与空气热对流，施加80℃温度，对流系换热数为45× 10-6W/(mm·℃)；法兰盘内壁模拟发动机排气及排气与压气机蜗壳进行热对流，施加950℃温度，对流系换热数为900×10-6W/(mm·℃)。

卡箍螺栓拧紧扭矩T和预紧力相关参数见表1。二者的关系如下式：

T=K·d·F

其中，K为螺栓拧紧扭矩系数，此处取K= 0.2；d为螺栓公称直径，d=6 mm。通过上式可以求得预紧力F=8.33 kN。卡箍材料采用SUS304，法兰盘根预紧螺栓采用耐高温钢，各种材料参数见表2。

本文采用UG软件建立三维模型，利用Ansys软件进行网格划分和有限元计算，单元类型采用10节点四面体二阶单元。

3 结果对比分析

卡箍组件在该课题的不同扭矩及高温作用下使得卡箍采用的材料进入塑性区，导致卡箍的应力值与载荷不成比例关系。在分析卡箍组件的过程中，为保证卡箍能在试验中产生足够大的轴向力，接触压力越大越好，且卡箍在螺栓拧紧扭矩作用下，卡箍不发生大面积的塑性变形。

3.1 卡箍组件温度分布

在本文中，温度场作为结构分析的边界条件。卡箍外壁模拟环境温度及与空气热对流，施加80℃温度，对流系换热数为45×10-6W/(mm·℃)；法兰盘内壁模拟发动机排气及排气与压气机蜗壳进行热对流，施加950℃温度，对流系换热数为900×10-6W/ (mm·℃)。求解结果表明，卡箍中间段温度较高，最高达797.6℃，两端温度最低，最低为570.3℃，见图2。

表2 不同温度下材料力学性能参数

3.2 考察点的接触压力分析

在卡箍的接触区域均匀选取8个节点，节点选取法兰盘与卡箍接触区域最外层单元的内侧节点。

这是因为接触区域外层单元的接触压力结果在施加的这几种扭矩接触压力大部分都存在，便于观测结果，接触域的内侧单元在外载荷作用下接触压力基本上都为零；其次，外层单元接触压力值变化趋势太大，不利于分析拧紧力矩与接触压力之间的关系。

考察点选取的位置见图3。为了简化分析过程只取卡箍的一侧。由于卡箍组件是对称结构，只要螺栓预紧力施加得当，则另一侧结果应该与考察点侧一致。考察点在接触面上的节点编号见表3。

图2 卡箍组件温度分布图

图3 考察点分布图

考察点在不同扭矩作用下的接触压力变化曲线见图4。在同一扭矩作用下，考察点4、6均表现为较小的接触压力。说明在卡箍中间位置两侧接触效果差，这与我公司在试验中遇到的情况一致，中间部位可能会因为接触压力不够而发生漏气；在扭矩为6 N·m时考察点1、8的接触压力最大。说明在较小扭矩作用时接触域两端能形成较好的接触；在其它扭矩作用下，考察点5和8处的接触压力较大。说明较大扭矩作用时靠近螺栓一侧会出现较大的接触压力。

表3 考察点有限元模型中对应节点编号

图4 考察点在不同扭矩下的接触压力

3.3 卡箍强度及变形分析

卡箍在不同扭矩作用下的等效应力分布和变形，见图5和图6。由于预紧螺栓及卡箍约束造成的大塑性应力在本文中不作考虑，如图5卡箍的两端红色区域，扭矩6～8 N·m之间的卡箍等效应力不会超过卡箍材料的屈服极限，而在9～10 N·m时卡箍材料发生了屈服。

4 结论

（1）通过热-结构耦合分析计算可知：在接触压力与卡箍强度总体满足设计要求的前提下，卡箍拧紧扭矩取8 N·m最合适。

（2）在螺栓拧紧扭矩作用下，不同部位的接触压力并不随拧紧扭矩的增大而增大，局部甚至会减小。

（3）卡箍在拧紧扭矩作用下的塑性变形主要出现在螺栓预紧端始端接触位置附近。

图5 在不同扭矩下卡箍的等效应力分布

图6 在不同扭矩下卡箍的沿螺栓轴向变形分布

1赵雨旸，王东胜．增压器[M]．北京：化学工业出版社，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朱逸飞．汽油机涡轮增压器逆向设计研究[D]．南京理工大学，2008．

5朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器[M]．北京：机械工业出版社，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

刘惠军（1978-），男，工程师，主要研究方向为发动机与增压器匹配技术和增压器设计。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.007