基于流固耦合的液力变矩器的泵轮叶片强度分析

2014-05-07 12:48尹明德王发稳

机械工程与自动化 2014年3期

吕倩，尹明德，王发稳

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

0 引言

液力变矩器是复杂的多叶轮透平机械，由于流道内外环和叶片表面均是形状空间扭曲的曲面，加上各叶轮的相互干扰，使得叶片受力情况较为复杂。对于液力变矩器叶片进行基于流固耦合的强度分析在国内尚处于起步阶段。目前，魏巍［1］、闫清东［2］等在基于单向流固耦合的液力变矩器叶片强度分析方面的研究成果颇丰，吴光强［3］在基于双向流固耦合的液力变矩器研究也取得一定成就，且都提出了流固耦合分析复杂曲面的方法，准确分析了叶片的应力分布情况。

本文首先对流道进行定常流动计算，流体力学分析工具采用CFX；在CFX求解后，提取流道叶片处的压力载荷，通过流固耦合施加到静力结构分析下的叶片模型的工作面和非工作面上，采用ANSYS／Mechanical对其进行结构分析。

1 基本方程和算法

1.1 流体分析

在液力变矩器流场分析中，假定液压油为绝热不可压的理想流体，故遵循N－S方程组，它包括连续性方程和动量方程。连续性方程为：

写成分量形式为：

其中：u，v，w分别为速度矢量V的3个分量。

动量方程为：

其中：F为流体质量力；ρ为流体密度；p为压力；υ＝μ／ρ为运动黏度，μ为动力黏度。

写成分量形式为：

其中：Fx，Fy，Fz分别为F 的3个分量［4］。

1.2 结构分析

叶轮叶片受到流体载荷的作用，动力学方程为：

其中：M 为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F0为节点载荷矢量，包括压力、离心力等；r··，r·，r分别为节点的加速度、速度以及位移矢量［5］。

2 分析过程

2.1 建模

首先用三维建模软件Pro／E建立液力变矩器整体模型、叶片模型和流道模型，各模型分别如图1、图2、图3所示。此液力变矩器的有效直径为305 mm，泵轮叶片数为22，涡轮叶片数为24，导轮叶片数为20。由于泵轮、涡轮、导轮都按各自转速转动，故各叶轮的流道都非常复杂，本文所取流道由液力变矩器内环、外环、叶片工作面和非工作面组成。然后将已建好的模型导出为igs格式，并导入ANSYS进行分析，流固耦合分析流程如图4所示。

2.2 计算模型

在液力变矩器分析过程中，假设：液力变矩器内部液压油充满流道，流道内部流场是稳定的，流体产生的载荷不足以导致叶片产生对流场干扰的变形；内部的液压油为不可压缩的理想流体，忽略温度变化的影响，液压油从上游流道的出口流出后以完全相等的量流入下游叶轮流道；同一种工况下，同一叶轮内的各个流道的流场特性完全相同。

图1 液力变矩器整体模型

图2 叶片模型

图3 流道模型

图4 流固耦合分析流程

本文研究中，根据液力变矩器内部流场流动的对称性，任取一组泵轮、涡轮和导轮叶片作为研究对象，为了让单个的流道模型能在计算中精确地仿真完整的流道模型，还必须在工作面、非工作面加上周期性边界。

2.3 网格划分

CFX的前处理模块ICEM CFD提供了强大的网格划分功能，可满足CFD网格划分的严格要求，其特有的映射技术的六面体网格划分功能，可在任意复杂形状的模型中划分出质量较高的六面体网格。

以泵轮叶片强度分析为例，流道节点总数为31 419，单元总数为6 916；对于结构分析，泵轮叶片模型采用六面体网格划分，叶片流道节点总数为7 245，单元总数为1 232。图5为泵轮叶片流道网格，图6为泵轮叶片网格。

2.4 边界条件设定

工作液压油以一定的速度由流道入口流入，在流道内一边与叶轮一同转动，一边沿流道作相对运动，并通过与壁面之间的相互作用完成机械能和液体能之间的转化。根据计算流体力学理论，将流道进口边界条件取为速度边界条件，出口边界取为压力边界，其他界面取为无滑移壁面边界条件，在进口面和出口面分别给定均匀分布的速度和压力，把上游叶片出口速度的平均值作为下游叶轮进口速度的边界条件，同时，施加周期性边界到叶片的工作面和非工作面上。

图5 泵轮叶片流道网格

图6 泵轮叶片网格

分别设置各工作轮的转速：泵轮转速为2 000 r／min；涡轮转速按速比i＝n涡轮／n泵轮选取，i的取值范围为0～0.8；导轮静止。此处主要分析i＝0（传动负载较大的启动工况）、i＝0.4（中间值）、i＝0.8（最高效率工况）时泵轮叶片变形量和叶片等效应力，在工作过程中泵轮转速不变，设置的边界条件初始值见表1。