基于有限元的增压器背盘变形分析

曾辉，陈少林，周乃君

（1.中南大学，长沙410083；2.湖南天雁机械有限责任公司，衡阳421005）

基于有限元的增压器背盘变形分析

曾辉1，陈少林2，周乃君1

（1.中南大学，长沙410083；2.湖南天雁机械有限责任公司，衡阳421005）

背盘是影响增压器质量的重要因素。利用有限元方法分析某型增压器背盘产生较大变形的原因及其背盘结构改进的方向。首先分析了背盘在正常条件下的变形,然后分析了在不正常手持时的背盘变形,最后分析了不正常装配是否会产生较大变形。通过上述几种分析结果获得了该背盘大变形的原因及解决办法。

增压器背盘变形有限元

1 前言

某型增压器在装机试验过程中出现轴卡、抱死现象，经返厂拆机检验后得出的结论是由背盘变形引起。

增压器背盘的变形情况见图1，压板压痕见图2，装配压痕见图3。从图2中可以看出，压痕在A处印记最深，B、F处次之，C、E再次之，D处最小。这种现象说明A处压板附近由于变形最大导致装配面悬空，未与蜗壳接触，B、F处接触不明显，C、E处较明显，D处接触最紧密。

如图1所示，该背盘出现变形的位置在扩压器面，主要集中在某一侧，变形趋势：变形量沿背盘径向由中心孔向外逐渐增大，变形方向沿图3箭头所示。

综合上述情况，造成背盘变形可能因素有：（1）背盘结构设计有缺陷；（2）异常搬运及不正常放置；（3）加工不正常，导致次品流出；（4）未按照工艺要求装配；（5）运输过程中有严重的磕碰等。

本文将在非运转工况下，从结构设计、异常搬运及不正常放置、未按照工艺要求装配这几个方面对背盘进行有限元分析[1]，力图找出变形的原因及方案。

2 有限元分析方案

背盘与中间体的装配用内花键螺钉为M5×16，轴承体与压气机蜗壳的连接螺栓为M6×12～8.8。内花键拧紧力矩为7.2～7.8 N·m，分析时取7.5 N· m；背盘与压气机蜗壳连接的拧紧力矩分别是：近压气机蜗壳出口拧紧力矩为5～6 N·m，取5.5 N·m，其余5个拧紧力矩为7～8 N·m，取7.5 N·m。本次计算分析的方案分别为以下3种情况：

（1）正常加工及装配条件下的结构稳态分析

在保证正常加工及装配条件下，验证背盘结构设计是否合理，可通过背盘变形及应力分布说明该结构是否合理。

（2）异常搬运及不正常放置引起变形的稳态分析

在保证设计及加工正确的条件下，通过仿真模拟异常搬运条件下的，由于操作工人在搬运过程中拿持增压器的位置不正确导致背盘变形，如：拿持压气机蜗壳出口端，涡轮箱及轴承体部悬空；由于装配工人不正常放置可引起背盘变形，如：在未装箱前有增压器叠放或者中间体上承重等因素。

在有限元分析中模拟上述因素是否能引起背盘的变形，可以在该款增压器重心位置处施加一个集中力来模拟异常搬运及不正常放置引起的变形。

（3）不正常装配条件下的瞬态变形分析

在保证结构设计无误、加工条件及搬运无误的条件下，通过模拟非正常装配。假设拧紧螺钉不是按照对称顺序操作，分析其变形及应力分布。

图1 背盘变形图

图2 背盘压痕图

图3 背盘变形趋势图

3 背盘变形分析

本文把压气机蜗壳及中间体进行了简化，只保留了背盘原型。用于背盘分析的几何组件模型见图4，有限元模型见图5。本文仅对背盘在不工作条件下进行分析。

3.1 正常加工及装配条件下的结构分析

3.1.1 边界条件

回归结果显示，新媒体的使用显著影响了女性农民工的工作匹配结果。从符号上来看，社交媒体使用时间和APP下载种类数量与工作匹配之间也呈现出了倒U型的影响关系。可能的原因是新媒体对于女性来说还表现出了类似情感支撑和交流的工具特征。女性农民工在使用社交媒体的过程中除了会在其中建立属于自己的微型社交圈外，还会与家人和亲友沟通情感，会表现出比男性更多的情感需求。同时由于受到传统家庭观念的影响，使得女性农民工会花费更多的时间在与家人的情感交流上，虽然这种交流会在心理上对女性农民工在城市的务工生活形成支撑作用，但是却会消弱某份工作对女性农民工的吸引力。

本文中已将拧紧力矩换算成螺栓的预紧力，具体值见表1。压气机蜗壳一端面为全约束。接触类型：压板与背盘的接触、背盘与压气机蜗壳的接触为标准接触类型，其余接触都设为绑定的接触类型。无外载荷。

3.1.2 分析结果

在该边界条件下对背盘进行分析，变形图见图6及图7。最大变形量为0.021 mm，最大变形出现在螺钉沉孔附近。

等效应力（Von-Mises应力）分布见图8及图9，最大主应力出现在内花键安装沉孔尖角处，该处在有限元模型里简化了倒角，因此在此处无实际参考意义。其他位置处应力值均小于125 MPa，材料许用应力[σ]=160 MPa，σ＜0.8[σ]，在材料许用应力范围内。

图4 背盘组件的几何模型

图5 背盘组件的有限元模型

表1 螺钉预紧力

图6 背盘内侧变形图

图7 背盘外侧变形图

3.2 异常搬运及不正常放置引起的变形

3.2.1 边界条件

在装箱生产线上若现场工人不按操作规程装箱，手持压气机蜗壳出口端造成增压器涡轮箱端悬空；如增压器在放置过程中压气机蜗壳朝下，涡轮箱朝上，增压器自重也会造成增压器背盘的变形。

图8 背盘内侧应力分布图

图9 背盘外侧应力分布图

边界条件为：拧紧力矩、约束、接触同3.1.1。在轴承体侧创建质量单元Mass21来模拟该增压器的重心，在该单元X轴方向施加50 N的集中力来模拟该增压器的质量，并与轴承体建立刚性连接，见图10。 3.2.2分析结果

图10 刚性连接示意图

图11 背盘内侧变形图

图12 背盘外侧变形图

等效应力（Von-Mises应力）分布见图13及图14，最大主应力同样出现在内花键安装沉孔尖角处，该处在有限元模型里简化了倒角，因此在此处无实际参考意义。其他位置处应力值均小于125.6 MPa材料许用应力，[σ]=160 MPa，σ＜0.8 [σ]，在材料许用应力范围内。

3.3 不正常装配条件下的瞬态变形分析

3.3.1 边界条件

预紧力施加顺序不同，模拟螺钉不正常拧紧过程，其余边界条件同3.1.1。预紧力施加的顺序从1到10，见图15。

3.3.2 分析结果

瞬态分析[2]的考察点见图16，图中外侧考察点见图16a，内侧考察点见图16b。因为在预紧螺栓孔附近出现的大应力，不同的方案结果变化趋势明显。在在内外、侧考察点的变形及应力分布见图17和18所示。在最后一个载荷步（即11 ms时刻）考察点的变形量总体上较小与稳态分析位移结果基本一致，变形趋势由依次递减符合实际工况。等效应力分布在最后载荷步时刻也与稳态分析等效应力结果基本一致，应力分布结果符合实际工况。

图13 背盘内侧应力分布图

图14 背盘外侧应力分布图

图15 背盘不正常安装螺钉示意图

图16 考察示意图

图17 考察点瞬态变形曲线图

图18 考察点变形瞬态等效应力曲线

4 结束语

（1）通过有限元分析表明，该背盘现有结构设计能满足技术要求，正常生产出来的产品不会出现上述大变形，设计基本合理。

（2）在搬运或装配过程中，如果手持压气机蜗壳出口端，则C处会出现应力集中，原因：C处壁厚仅0.8 mm，加工沉孔时正好与B面相切，建议：增大C处倒角。加强筋承力效果不明显。建议：减少加强筋的数量，增大加强筋的尺寸，可减少铸造误差，提高结构强度及铸造效率。

（3）手持增压器在不正常装配时会产生一定的变形，但不会产生该问题机型背盘的等效变形情况。

（4）在背盘加工车间发现由于背盘加工的夹具装载在背盘中心孔，刀具在切削背盘外沿时出现较大的应力导致背盘出现大的变形，经过夹具改进设计后没有出现大变形。

1杜平安，甘娥忠，于亚婷．有限元法－原理、建模及应用[M]．北京：国防工业出版社，2006：52-56．

2张宏远，马星国．一种发动机活塞的瞬态动力学分析[J].沈阳理工大学学报，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

来稿日期：2012-05-14

曾辉（1979-），男，工程师，主要研究方向为增压器总体技术。