曾輝，陳少林，周乃君

（1.中南大學，長沙410083；2.湖南天雁機械有限責任公司，衡陽421005）

基于有限元的增壓器背盤變形分析

曾輝1，陳少林2，周乃君1

（1.中南大學，長沙410083；2.湖南天雁機械有限責任公司，衡陽421005）

背盤是影響增壓器質量的重要因素。利用有限元方法分析某型增壓器背盤產生較大變形的原因及其背盤結構改進的方向。首先分析了背盤在正常條件下的變形,然后分析了在不正常手持時的背盤變形,最后分析了不正常裝配是否會產生較大變形。通過上述幾種分析結果獲得了該背盤大變形的原因及解決辦法。

增壓器背盤變形有限元

1 前言

某型增壓器在裝機試驗過程中出現(xiàn)軸卡、抱死現(xiàn)象，經(jīng)返廠拆機檢驗后得出的結論是由背盤變形引起。

增壓器背盤的變形情況見圖1，壓板壓痕見圖2，裝配壓痕見圖3。從圖2中可以看出，壓痕在A處印記最深，B、F處次之，C、E再次之，D處最小。這種現(xiàn)象說明A處壓板附近由于變形最大導致裝配面懸空，未與蝸殼接觸，B、F處接觸不明顯，C、E處較明顯，D處接觸最緊密。

如圖1所示，該背盤出現(xiàn)變形的位置在擴壓器面，主要集中在某一側，變形趨勢：變形量沿背盤徑向由中心孔向外逐漸增大，變形方向沿圖3箭頭所示。

綜合上述情況，造成背盤變形可能因素有：（1）背盤結構設計有缺陷；（2）異常搬運及不正常放置；（3）加工不正常，導致次品流出；（4）未按照工藝要求裝配；（5）運輸過程中有嚴重的磕碰等。

本文將在非運轉工況下，從結構設計、異常搬運及不正常放置、未按照工藝要求裝配這幾個方面對背盤進行有限元分析[1]，力圖找出變形的原因及方案。

2 有限元分析方案

背盤與中間體的裝配用內花鍵螺釘為M5×16，軸承體與壓氣機蝸殼的連接螺栓為M6×12～8.8。內花鍵擰緊力矩為7.2～7.8 N·m，分析時取7.5 N· m；背盤與壓氣機蝸殼連接的擰緊力矩分別是：近壓氣機蝸殼出口擰緊力矩為5～6 N·m，取5.5 N·m，其余5個擰緊力矩為7～8 N·m，取7.5 N·m。本次計算分析的方案分別為以下3種情況：

（1）正常加工及裝配條件下的結構穩(wěn)態(tài)分析

在保證正常加工及裝配條件下，驗證背盤結構設計是否合理，可通過背盤變形及應力分布說明該結構是否合理。

（2）異常搬運及不正常放置引起變形的穩(wěn)態(tài)分析

在保證設計及加工正確的條件下，通過仿真模擬異常搬運條件下的，由于操作工人在搬運過程中拿持增壓器的位置不正確導致背盤變形，如：拿持壓氣機蝸殼出口端，渦輪箱及軸承體部懸空；由于裝配工人不正常放置可引起背盤變形，如：在未裝箱前有增壓器疊放或者中間體上承重等因素。

在有限元分析中模擬上述因素是否能引起背盤的變形，可以在該款增壓器重心位置處施加一個集中力來模擬異常搬運及不正常放置引起的變形。

（3）不正常裝配條件下的瞬態(tài)變形分析

在保證結構設計無誤、加工條件及搬運無誤的條件下，通過模擬非正常裝配。假設擰緊螺釘不是按照對稱順序操作，分析其變形及應力分布。

圖1 背盤變形圖

圖2 背盤壓痕圖

圖3 背盤變形趨勢圖

3 背盤變形分析

本文把壓氣機蝸殼及中間體進行了簡化，只保留了背盤原型。用于背盤分析的幾何組件模型見圖4，有限元模型見圖5。本文僅對背盤在不工作條件下進行分析。

3.1 正常加工及裝配條件下的結構分析

3.1.1 邊界條件

回歸結果顯示，新媒體的使用顯著影響了女性農民工的工作匹配結果。從符號上來看，社交媒體使用時間和APP下載種類數(shù)量與工作匹配之間也呈現(xiàn)出了倒U型的影響關系?？赡艿脑蚴切旅襟w對于女性來說還表現(xiàn)出了類似情感支撐和交流的工具特征。女性農民工在使用社交媒體的過程中除了會在其中建立屬于自己的微型社交圈外，還會與家人和親友溝通情感，會表現(xiàn)出比男性更多的情感需求。同時由于受到傳統(tǒng)家庭觀念的影響，使得女性農民工會花費更多的時間在與家人的情感交流上，雖然這種交流會在心理上對女性農民工在城市的務工生活形成支撐作用，但是卻會消弱某份工作對女性農民工的吸引力。

本文中已將擰緊力矩換算成螺栓的預緊力，具體值見表1。壓氣機蝸殼一端面為全約束。接觸類型：壓板與背盤的接觸、背盤與壓氣機蝸殼的接觸為標準接觸類型，其余接觸都設為綁定的接觸類型。無外載荷。

3.1.2 分析結果

在該邊界條件下對背盤進行分析，變形圖見圖6及圖7。最大變形量為0.021 mm，最大變形出現(xiàn)在螺釘沉孔附近。

等效應力（Von-Mises應力）分布見圖8及圖9，最大主應力出現(xiàn)在內花鍵安裝沉孔尖角處，該處在有限元模型里簡化了倒角，因此在此處無實際參考意義。其他位置處應力值均小于125 MPa，材料許用應力[σ]=160 MPa，σ＜0.8[σ]，在材料許用應力范圍內。

圖4 背盤組件的幾何模型

圖5 背盤組件的有限元模型

表1 螺釘預緊力

圖6 背盤內側變形圖

圖7 背盤外側變形圖

3.2 異常搬運及不正常放置引起的變形

3.2.1 邊界條件

在裝箱生產線上若現(xiàn)場工人不按操作規(guī)程裝箱，手持壓氣機蝸殼出口端造成增壓器渦輪箱端懸空；如增壓器在放置過程中壓氣機蝸殼朝下，渦輪箱朝上，增壓器自重也會造成增壓器背盤的變形。

圖8 背盤內側應力分布圖

圖9 背盤外側應力分布圖

邊界條件為：擰緊力矩、約束、接觸同3.1.1。在軸承體側創(chuàng)建質量單元Mass21來模擬該增壓器的重心，在該單元X軸方向施加50 N的集中力來模擬該增壓器的質量，并與軸承體建立剛性連接，見圖10。 3.2.2分析結果

圖10 剛性連接示意圖

圖11 背盤內側變形圖

圖12 背盤外側變形圖

等效應力（Von-Mises應力）分布見圖13及圖14，最大主應力同樣出現(xiàn)在內花鍵安裝沉孔尖角處，該處在有限元模型里簡化了倒角，因此在此處無實際參考意義。其他位置處應力值均小于125.6 MPa材料許用應力，[σ]=160 MPa，σ＜0.8 [σ]，在材料許用應力范圍內。

3.3 不正常裝配條件下的瞬態(tài)變形分析

3.3.1 邊界條件

預緊力施加順序不同，模擬螺釘不正常擰緊過程，其余邊界條件同3.1.1。預緊力施加的順序從1到10，見圖15。

3.3.2 分析結果

瞬態(tài)分析[2]的考察點見圖16，圖中外側考察點見圖16a，內側考察點見圖16b。因為在預緊螺栓孔附近出現(xiàn)的大應力，不同的方案結果變化趨勢明顯。在在內外、側考察點的變形及應力分布見圖17和18所示。在最后一個載荷步（即11 ms時刻）考察點的變形量總體上較小與穩(wěn)態(tài)分析位移結果基本一致，變形趨勢由依次遞減符合實際工況。等效應力分布在最后載荷步時刻也與穩(wěn)態(tài)分析等效應力結果基本一致，應力分布結果符合實際工況。

圖13 背盤內側應力分布圖

圖14 背盤外側應力分布圖

圖15 背盤不正常安裝螺釘示意圖

圖16 考察示意圖

圖17 考察點瞬態(tài)變形曲線圖

圖18 考察點變形瞬態(tài)等效應力曲線

4 結束語

（1）通過有限元分析表明，該背盤現(xiàn)有結構設計能滿足技術要求，正常生產出來的產品不會出現(xiàn)上述大變形，設計基本合理。

（2）在搬運或裝配過程中，如果手持壓氣機蝸殼出口端，則C處會出現(xiàn)應力集中，原因：C處壁厚僅0.8 mm，加工沉孔時正好與B面相切，建議：增大C處倒角。加強筋承力效果不明顯。建議：減少加強筋的數(shù)量，增大加強筋的尺寸，可減少鑄造誤差，提高結構強度及鑄造效率。

（3）手持增壓器在不正常裝配時會產生一定的變形，但不會產生該問題機型背盤的等效變形情況。

（4）在背盤加工車間發(fā)現(xiàn)由于背盤加工的夾具裝載在背盤中心孔，刀具在切削背盤外沿時出現(xiàn)較大的應力導致背盤出現(xiàn)大的變形，經(jīng)過夾具改進設計后沒有出現(xiàn)大變形。

1杜平安，甘娥忠，于亞婷．有限元法－原理、建模及應用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006：52-56．

2張宏遠，馬星國．一種發(fā)動機活塞的瞬態(tài)動力學分析[J].沈陽理工大學學報，2006，3（25）：32-34．

Finite Element Analysis of Turbocharger Back-Plate Deformation

Zeng Hui1,Chen Shaolin2,Zhou Naijun1
（1.Central South University,Changsha 410083,China; 2.Hunan Tyen Machinery Co.,Ltd.,Hengyang 421005,China）

The back plate of a turbocharger is an important contributor to turbocharger quality.This paper analyzes the main reason of back plate deformation and the direction of back plate structure improvement based on finite element analysis.Firstly,the deformations of a back plate are analyzed under normal deformation condition and under the condition of abnormal handhold.Then whether an irregular assembly will lead to a large deformation is analyzed.Based on above analyzed results,the reason for big deformation and the solution to the problem are obtained.

turbocharger,back plate,deformation,finite element analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.007

來稿日期：2012-05-14

曾輝（1979-），男，工程師，主要研究方向為增壓器總體技術。