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冲焊型液力变速器焊接的有限元分析

发布于:2020-03-09 20:13
有限元分析

       液力自动变速器(AT)是目前及未来一段时间内车辆自动变速器中市场占有率最高的产品。冲焊型液力变矩器是液力自动变速器(AT)的核心部件。国外轿车冲焊型液力变矩器已成为研究热点,美国、韩国、日本等国家的汽车企业和高校的研究机构都投入了大量的人力物力进行冲焊型液力变矩器研究工。此种变矩器的设计和制造难度较大,其焊接结构的可靠性将直接影响变矩器的工作性能并对整个传动系的运转安全有重大影响。因此在设计时应着重对冲焊型液力变矩器焊接叶轮强度进行计算和有限元分析
       目前国内对液力变矩器强度和结构优化的研究主要以铸造型为主,北京理工大学魏巍等对液力变矩器叶片进行单向FSI强度分析,得到了叶片的变形和应力分布状态;闰清东等川采用周期性模型对大功率液力变矩器叶轮的FSI进行研究,为叶轮强度分析提供一种较为有效的方法。此外,同济大学陆忠东等对冲焊型液力变矩器叶片的FSI作用进行了数值模拟,并对涡轮叶片结构进行了优化设计。为了更准确地计算冲焊型液力变矩器焊接强度问题,本文基于单向FSI的方法,对某型冲焊型液力变矩器叶轮耦合系统采用整体离散和整体求解的方法进行焊接强度分析。
       单向FSI是在固体的变形微小、忽略其对流体影响的情况下,只考虑流体应力对结构的作用。单向FSI分析流程如图所示。流场的CFD数值仿真和结构的FEA分析求解在时间上是两个相对独立的过程。CFD计算结果中耦合面上的压力值通过网格映射转化为相应的结构载荷施加到结构的耦合面上,从而进行结构的有限元计算。针对本文研究的冲焊型液力变矩器叶轮的焊接强度问题,假设变矩器叶轮及叶片的变形量对流场的影响较小,所以采用单向FSI分析方法。叶轮焊接强度计算是在内部流场计算的基础上进行的。
       本文首先采用CFDApp对某冲焊型液力变矩器内流场进行数值仿真。该变矩器循环圆有效直径为255 mm,其中泵轮叶片数为21个,涡轮叶片数为28个,导轮叶片数为17个。图为工作腔的流道几何模型和网格模型。计算采用分离式求解器,压力速度耦合算法采用SIMPLE算法,空间离散格式采用二阶迎风格式,边界条件采用壁面边界(Wall)和交互面(Interface)两种,采用滑动网格技术来解决流体计算中两个不同区域的相互交互作用。湍流模型采用大涡模拟,其基本思想是:用瞬时的Navier-Stocks方程组直接模拟湍流中的大尺度涡,而小尺度涡对大尺度涡运动的影响则通过建立亚格子尺度模型来模拟。通过前期大量计算,发现采用大涡模拟计算出的扭矩与实验值误差较小,并且三个叶轮平衡扭矩最接近0值,说明采用大涡模拟时力的计算结果与实际最为接近。图为制动工况下,工作流场中提取出的涡轮叶片工作面和非工作面上的静压力分布图。其上的流场压力通过FSI作用的边界面施加给叶片结构。
       在FSI计算中,由于CFD和FEA计算网格在交换界面上的网格节点不相匹配,需对两个物理场耦合面上非匹配网格进行插值变换。本文利用Matlab中的插值命令TriScatteredInterp来完成网格差值变换。该方法避免了大量繁琐的狄洛尼三角的构建,在不需要重新进行三角化的前提下可以对样本点的数据值进行调整。此种插值算法稳定性好、速度快、精度高,能够得到较好的插值效果。对液力变矩器的工作流场进行CFD数值计算后,将流场耦合面上的各节点压力值及对应的节点坐标以ASCII文件类型输出。在CFD数值计算中泵轮流道和涡轮流道将沿着Interface面做相对滑移,所以在做流体网格和结构网格的插值映射前,需通过坐标变换,将CFD和FEA模型的耦合边界面相对应。在CFD仿真中提取计算前耦合面上的各节点坐标与计算后相对应的节点压力值用于插值变换。在流固耦合面上,对流体网格和结构网格进行插值映射,可以得到作用在焊接叶轮耦合面上较为准确的流体压力载荷。


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