增壓器的非線性力學(xué)分析.pdf

1、渦輪增壓器是內(nèi)燃機的一個重要部件，其安全、平穩(wěn)、可靠地運行是保證內(nèi)燃機正常工作的重要條件。隨著我國鐵路向高速、重載運輸方向的發(fā)展，對大功率高效節(jié)能柴油機的工作性能也提出了更高的要求。近代渦輪增壓技術(shù)大大提高了柴油機的工作效率，但隨著柴油機強化度的提高，要求渦輪增壓器的壓比進一步提高，從而導(dǎo)致壓氣機的線速度增加；在更高的離心慣性力的作用下，壓氣機葉輪的變形也將進一步增大。由此產(chǎn)生的葉輪與軸之間配合松弛，導(dǎo)致了渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的動平衡破壞，軸

2、承磨損加快甚至燒損。對于渦輪增壓器這種高速高溫精密旋轉(zhuǎn)機械，一旦出現(xiàn)故障，特別是轉(zhuǎn)子部件發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個渦輪增壓器在極短的時間內(nèi)損壞。為了使壓氣機葉輪在工作轉(zhuǎn)速下與轉(zhuǎn)子軸配合牢固又不致使因盈量過大而產(chǎn)生過高的裝配應(yīng)力，這就要求對增壓器壓氣機整體配合部位的宏觀接觸應(yīng)力狀態(tài)和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子部分的動態(tài)特性進行研究，將有助于增壓器的設(shè)計和加工工藝的改進，從而提高增壓器的使用壽命和工作可靠性。 本論文采用了參變量變分原理及基于此原理的

3、有限元參數(shù)二次規(guī)劃法，按三維彈性和彈塑性接觸模型研究了增壓器壓氣機中葉輪、軸套和轉(zhuǎn)軸相互的力學(xué)行為，并將陀螺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)導(dǎo)入哈密頓體系，用辛子空間迭代法對增壓器轉(zhuǎn)子動力學(xué)進行分析。本論文的研究方法與傳統(tǒng)的研究方法不同，從另外一個角度研究了增壓器非線性力學(xué)問題，為增壓器非線性力學(xué)的研究開辟了一條新路。 本論文的主要研究工作如下： 第一章簡單介紹了增壓器的發(fā)展現(xiàn)狀，對增壓器系統(tǒng)的建模和有限元數(shù)值模擬的研究進展等問題進行了詳細(xì)的論

4、述，并指出了增壓器非線性力學(xué)研究的重要性，詳細(xì)論述了接觸力學(xué)和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)狀。在最后的部分概述了本論文的研究內(nèi)容。 第二章論述了參變量變分原理及基于此原理的有限元參數(shù)二次規(guī)劃法對彈塑性接觸問題求解過程，闡述了子結(jié)構(gòu)技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析方面的應(yīng)用。 第三章根據(jù)增壓器壓氣機葉輪、軸套和軸的真實幾何尺寸，建立三維輪軸彈性和彈塑性接觸的有限元計算模型，并將有限元參數(shù)二次規(guī)劃法及子結(jié)構(gòu)技術(shù)引入到壓氣機三體接觸問題的研究中，對增壓

5、器壓氣機葉輪、軸套和軸的接觸狀態(tài)、接觸應(yīng)力和接觸位移進行了詳細(xì)的計算，并且在裝配狀態(tài)和工作狀態(tài)下對不同的轉(zhuǎn)速、過盈值、軸套壁厚和摩擦系數(shù)下的計算結(jié)果進行了詳細(xì)的討論分析和比較，得出了大量三體間接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力隨這些參數(shù)變化而變化的規(guī)律，并為確定合理的接觸參數(shù)提供設(shè)計依據(jù)。 第四章介紹了渦輪增壓器葉輪超速預(yù)過載處理技術(shù)。應(yīng)用有限元參數(shù)二次規(guī)劃法研究了超速預(yù)過載處理后壓氣機葉輪的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，以及超速轉(zhuǎn)速與壓氣機葉輪的最大殘

6、余應(yīng)力和殘余變形量之間的關(guān)系；分析了超速處理后的的壓氣機在工作狀態(tài)下的葉輪、軸套與軸之間的接觸應(yīng)力的大小及相應(yīng)分布規(guī)律，以及壓氣機葉輪在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和位移情況。確定了壓氣機葉輪的最佳超速轉(zhuǎn)速，分析了超速預(yù)過載技術(shù)對壓氣機葉輪安全裕度的影響，表明了超速工藝在壓氣機葉輪制造中的必要性，也為壓氣機葉輪的設(shè)計和加工提供了可參考的依據(jù)。 第五章借鑒了對稱矩陣的子空間迭代法的思想，將辛子空間迭代法應(yīng)用于增壓器系統(tǒng)，研究其高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子系

7、統(tǒng)剛度不正定問題的轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算。本論文將有限元模型與辛子空間迭代法相結(jié)合，以某增壓器轉(zhuǎn)子為例，充分考慮渦輪增壓器的特殊性，建立了渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的有限元模型，并在計算模型中綜合考慮了輪盤的陀螺力矩，轉(zhuǎn)動慣量、支承和軸套等因素，分別計算了增壓器轉(zhuǎn)子在不同支承剛度、支承的位置和軸徑大小下臨界轉(zhuǎn)速、振型的變化趨勢，詳盡的分析了這些關(guān)鍵參數(shù)對增壓器轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響，進一步完善了計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的有限元程序。 第六章總結(jié)了本論文的主要