于采用粉末注射成形工藝，利用該方法所得優(yōu)化結(jié)構(gòu)不會(huì) 對(duì)生產(chǎn)成本和加工難度產(chǎn)生不利影響。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明所述優(yōu)化前的渦輪主剖視結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2是本發(fā)明所述優(yōu)化后的渦輪主剖視結(jié)構(gòu)示意圖， 圖3是本發(fā)明所述優(yōu)化后的渦輪各變量示意圖 圖4是JP60渦輪主剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 在圖中，1、輪轂2、葉輪3、環(huán)形槽 4、下圓孔5、上圓孔。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 在圖1和圖2中，其中圖1是優(yōu)化前渦輪主剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明所述優(yōu) 化后的渦輪主剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 所述粉末注射成形增壓器渦輪，它包括輪轂1和等間隔（或不等間隔）設(shè)置在輪轂 上的葉輪2,在輪轂上端和下端分別設(shè)置有與輪轂同軸心的下圓孔4和上圓孔5,所述上圓 孔和下圓孔為其兩內(nèi)端相隔的盲孔，盲孔最好為圓錐孔(相當(dāng)于帶有拔模斜度的圓孔)，所 述輪轂底端設(shè)置有環(huán)形槽3,所述環(huán)形槽與輪轂軸同心，以車(chē)用渦輪增壓器JP60渦輪為具 體實(shí)施例（見(jiàn)圖4)，渦輪進(jìn)口直徑Φ53πιπι、出口直徑Φ46. 2mm，最大重量為124. 776g。本發(fā) 明優(yōu)化后的該渦輪結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化，除已有的尺寸外，新增了上圓 孔、下圓孔和環(huán)形槽三個(gè)技術(shù)特征，每個(gè)技術(shù)特征包括至少一個(gè)尺寸變量，即有上圓孔的孔 徑和深度尺寸變量；下圓孔的孔徑和深度尺寸變量；環(huán)形槽深度尺寸變量和下圓孔的拔模 斜度共七個(gè)變量(如圖3所示)。
[0021] 本發(fā)明采用如下方法來(lái)確定最佳的上述七個(gè)變量。
[0022] a、以渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕和最高轉(zhuǎn)速下渦輪的應(yīng)力集中系數(shù)最小，在確保渦輪結(jié)構(gòu) 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和使用要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以渦輪在最高轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下的 最大等效應(yīng)力為約束條件，以渦輪結(jié)構(gòu)減重特征幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，建立所述渦輪結(jié)構(gòu) 的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型： 目標(biāo)函數(shù)如下，即nil [Af1JTj，設(shè)計(jì)變量：…，約束條件：Sfir ; 式中，M為渦輪質(zhì)量；J：為渦輪最高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力集中系數(shù)；JT為設(shè)計(jì)變量；?為設(shè) 計(jì)變量的個(gè)數(shù)；0·為渦輪最大等效應(yīng)力；σ為渦輪屈服極限強(qiáng)度；^ 分別為各設(shè)計(jì)變量的上下限值如下表達(dá)式如下表1所示： 表1為各設(shè)計(jì)變量取值范圍
b、采用α-方法進(jìn)行計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)值的矩陣，用矩陣IaU建立如下三個(gè) 線(xiàn)性方程來(lái)求得目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子W、W2和待定常數(shù)C，
式中，f為目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)、右為目標(biāo)函數(shù)值的矩陣、e為待定常數(shù)； 將匕代入公式⑴得：
整理可得：
求解此三個(gè)方程可求出Wp胃2和C。
[0023] 矩陣中101. 209和9. 83分別為渦輪最大應(yīng)力為屈服極限時(shí)的渦輪質(zhì)量和應(yīng)力集 中系數(shù)；124. 776和2. 91分別為渦輪優(yōu)化前的渦輪質(zhì)量和應(yīng)力集中系數(shù)。
[0024] 將代入到公式（3)中，可得到三個(gè)方程，可以求得W1= 0.227、W2= 0.773和 C=30. 573〇
[0025] c、建立評(píng)價(jià)函數(shù)如下：Min : 式中，z為評(píng)價(jià)因子；Me是渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量M的理想值；JT是最高轉(zhuǎn)速下應(yīng)力集中系 數(shù)JT的理想值；#為指數(shù)；W1W2分別為各目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子； 在求L^U時(shí)，需要先分別確定各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)解，然后用此η個(gè)點(diǎn)分別計(jì) 算出各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的相應(yīng)的值"。對(duì)于此例，也就是需要先確定渦輪質(zhì)量和渦輪最高轉(zhuǎn)速下 應(yīng)力集中系數(shù)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。"在計(jì)算過(guò)程中不考慮應(yīng)力集中系數(shù)的影響，只需得 到當(dāng)最大應(yīng)力為屈服極限時(shí)渦輪的質(zhì)量即可，將該值作為渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量的理想值該 點(diǎn)作為渦輪質(zhì)量最優(yōu)解點(diǎn)。目標(biāo)函數(shù)值矩陣中的應(yīng)力集中系數(shù)最優(yōu)解點(diǎn)通過(guò)計(jì)算優(yōu)化前渦 輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)獲得。應(yīng)力集中系數(shù)影響渦輪的使用壽命，優(yōu)化前的渦輪已經(jīng)滿(mǎn)足 使用要求，優(yōu)化后的渦輪應(yīng)滿(mǎn)足使用要求，不影響使用壽命。因此，將優(yōu)化前渦輪結(jié)構(gòu)的應(yīng) 力集中系數(shù)作為最高速旋轉(zhuǎn)下渦輪應(yīng)力集中系數(shù)的理想值JT，該點(diǎn)作為最高轉(zhuǎn)速下渦輪 應(yīng)力集中系數(shù)最優(yōu)解點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)方法確定渦輪質(zhì)量最優(yōu)解點(diǎn)和應(yīng)力集中系數(shù)最優(yōu)解點(diǎn)， 然后分別求出這兩個(gè)點(diǎn)的渦輪質(zhì)量和應(yīng)力集中系數(shù)。101. 209和9. 83是渦輪質(zhì)量最優(yōu)解點(diǎn) 時(shí)的渦輪質(zhì)量和應(yīng)力集中系數(shù)；124. 776和2. 91是應(yīng)力集中。
[0026] d、通過(guò)ANSYS求出多組不考慮應(yīng)力集中系數(shù)下的設(shè)計(jì)變量X，得到渦輪多目標(biāo)優(yōu) 化解集，然后，將每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng) 的評(píng)價(jià)因子Z。
[0027] e、通過(guò)ANSYS軟件求出多組設(shè)計(jì)變量得到渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解集，解集中含有若干 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中包含多個(gè)設(shè)計(jì)變量的值，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)M和K，通過(guò)ANSYS求出多組 設(shè)計(jì)變量(多組設(shè)計(jì)變量是ANSYS按照結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小求解，此時(shí)不考慮應(yīng)力集中系數(shù))，得到 渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解集。然后，將每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的M和K代入公式（2)中求出每組設(shè) 計(jì)變量對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子Z。從結(jié)果中選取最小值作為最優(yōu)結(jié)果Zmin，同時(shí)可以得到Zmin所對(duì) 應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，將此組設(shè)計(jì)變量作為最終優(yōu)化結(jié)果。
[0028] (這是多目標(biāo)優(yōu)化的大體思路，這種優(yōu)化方法就是同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和應(yīng)力集 中系數(shù)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)ANSYS的求解結(jié)果進(jìn)行了處理。主要是為了使自己的優(yōu)化方法與 別的有所區(qū)別。但是在計(jì)算過(guò)程中限于時(shí)間關(guān)系只是把ANSYS的優(yōu)化結(jié)果作為結(jié)果， f、將每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子Z，從所有 評(píng)價(jià)因子中選取評(píng)價(jià)因子最小值作為最優(yōu)結(jié)果Zmin，根據(jù)Zmin選取所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，將此 組設(shè)計(jì)變量作為最終渦輪結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果(如表2所示）
[0029] 表2為優(yōu)化前后各設(shè)計(jì)變量對(duì)比表 將優(yōu)化后的渦輪各部份尺變量值進(jìn)行設(shè)計(jì)，PA_1 = 12, PA_2 = 19, PA_3 = 2， PA_4 = 4, PA_5 = 9, PA_6 = 6, PA_7 = 2為最佳設(shè)計(jì)值，也就是說(shuō)在上述7個(gè)變量值 優(yōu)化確定后，此時(shí)，渦輪在能確保滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和使用要求的前提下，渦輪質(zhì)量最輕。
[0030] 本發(fā)明中所述ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA)軟 件，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件提 供功能包括：結(jié)構(gòu)分析、電磁分析、流體動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、 參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言等功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 粉末注射成形增壓器渦輪，它包括輪轂（1)和間隔設(shè)置在輪轂上的葉輪（2)，其特 征是：在輪轂上設(shè)置有與輪轂同心的中間孔，所述中間孔為彼相連的通孔或相隔的盲孔，所 述輪轂底端設(shè)置有環(huán)形槽（3 )，所述環(huán)形槽與輪轂同心。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末注射成形增壓器渦輪，其特征是：所述中間孔橫截面為 圓形、梅花形或正多邊形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末注射成形增壓器渦輪，其特征是：所述環(huán)形槽橫截面為 圓弧形、方形、三角形或是與相對(duì)邊保持等距離的所形成的異形。4. 一種粉末注射成形增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它包括以下步驟： a、 以渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕和最高轉(zhuǎn)速下渦輪的應(yīng)力集中系數(shù)最小，在確保渦輪結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足 強(qiáng)度要求和使用壽命要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以渦輪在最高轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下的 最大等效應(yīng)力為約束條件，以渦輪結(jié)構(gòu)減重特征幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，建立所述渦輪結(jié)構(gòu) 的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型： 目標(biāo)函數(shù)如下，即設(shè)計(jì)變量：.，約束條件：;式中，M為渦輪質(zhì)量；震?為渦輪最高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力集中系數(shù)；JT為設(shè)計(jì)變量；I*為設(shè) 計(jì)變量的個(gè)數(shù)；％為渦輪最大等效應(yīng)力；￡T為渦輪屈服極限強(qiáng)度；#分別為各設(shè)計(jì) 變量的上下限值； b、 采用方法進(jìn)行計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)值的矩陣I^U，用矩陣k-U建立如下三個(gè)線(xiàn) 性方程來(lái)求得目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子W、W2和待定常數(shù)C，式中，f為目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)、々為目標(biāo)函數(shù)值的矩陣、e為待定常數(shù)； c、 建立評(píng)價(jià)函數(shù)如下：Min:式中，z為評(píng)價(jià)因子；JT是渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量M的理想值；JT是最高轉(zhuǎn)速下應(yīng)力集中系 數(shù)尤的理想值；戶(hù)為指數(shù)；分別為各目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子； d、 通過(guò)ANSYS求出多組不考慮應(yīng)力集中系數(shù)下的設(shè)計(jì)變量X，得到渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解 集，然后，將每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的評(píng) 價(jià)因子Z; e、 通過(guò)ANSYS求出多組設(shè)計(jì)變量得到渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解集，解集中含有若干組數(shù)據(jù)， 每組數(shù)據(jù)中包含多個(gè)設(shè)計(jì)變量的值，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)M和K， f、 將每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子Z，從所有 評(píng)價(jià)因子中選取評(píng)價(jià)因子最小值作為最優(yōu)結(jié)果Zmin，根據(jù)2_選取所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，將該 組設(shè)計(jì)變量作為最終渦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)各變量結(jié)果。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了粉末注射成形增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它以渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕和最高轉(zhuǎn)速下渦輪的應(yīng)力集中系數(shù)最小，在確保渦輪結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和使用壽命要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以渦輪在最高轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力為約束條件，以渦輪結(jié)構(gòu)減重特征幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，建立所述渦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，本發(fā)明采用粉末注射成形工藝，有效去除了精密鑄造固有的熱裂、縮孔、縮松等缺陷。同時(shí)可減少優(yōu)化過(guò)程中的約束條件，可以改變渦輪現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，從而最大化地對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)確定的渦輪各部份尺寸，可在滿(mǎn)足渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和使用要求的前提下，又能最大量化減輕渦輪質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)渦輪的輕量化。
【IPC分類(lèi)】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN104915500
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510316180
【發(fā)明人】黃若, 曹寧, 白曉松
【申請(qǐng)人】萍鄉(xiāng)市慧成精密機(jī)電有限公司
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月11日