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1、液力变矩器流固耦合强度分析及优化,答辩人：何颖导师： 熊渊博 专业：工程力学,工程力学专业本科毕业论文答辩,2,4,液力变矩器流固耦合强度分析过程,液力变矩器模型建立,提取单流道结构模型,提取单流道流体模型,结构与流体流固耦合计算,整体结构应力计算,提取单流道结构应力分别施加到各个流道,整体结构的模态分析,液力变矩器优化,2,论文结构,液力变矩器的工作原理,研究的基本理论,液力变矩器单流道流固耦合分析,液力变矩器整体强度和模态分析,液力变矩器优化,3,液力变矩器的工作原理发动机运转时带动液力变矩器的壳体和泵轮一同旋转，泵轮内的工作油在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮
2、，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的工作油。在液体循环流动过程中，导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出力矩不同于泵轮输入力矩，具有“变矩”功能。导轮的作用：改变涡轮的输出力矩。,4,液力变矩器整体模型及零件图,泵轮顶盘,涡轮,导轮,泵轮,5,流固耦合简述,流固耦合问题是研究流体与固体两相介质之间的相互作用，固体在运动流体的载荷作用下会产生变形或者运动，而固体的变形或运动又反过来影响流体的运动，进而改变作用于固体表面的载荷，这种液体与固体的相互作用在不同条件下将产生各种各样的液固耦合现象。流固耦合的分类：（1）强耦合，流固两相部分或全部重迭在一起，很难明显分开，如土壤的渗透问题 （2）
3、弱耦合，耦合作用仅仅发生在两相相交接口上，即流体与固体的相互作用仅仅发生流体与固体的交界面上。本问题就属于弱耦合问题，耦合作用仅仅发生在叶片与液压油想的交界面上。流固耦合的研究内容：理论研究、计算研究 （CFD技术）、实验研究、应用研究,6,液力变矩器单流道流固耦合分析,采用CATIA建模软件建立液力变矩器的整体简化模型，由于泵轮是固定不动的，主要分析涡轮、泵轮流道内叶片与液压油的流固耦合现象，涡轮和泵轮的简化模型相同，因此只对液力变矩器涡轮流道提取进行其结构模型和流体模型，进行计算分析。在ADINA内结构模型（左）和流体模型（右）如下图：,液力变矩器涡轮流道模型：结构模型（左）流体模型（右）
4、,7,对建好的模型进行网格划分，施加边界条件以及荷载，得到液力变矩器涡轮单流道的有限元模型，然后分别计算流体和结构的有限元模型，生成流体和结构的数据文件。下图左为液力变矩器涡轮单流道结构的有限元模型，右为液力变矩器涡轮单流道流体的有限元模型。,结构有限元模型,流体有限元模型,8,对上面得到的流体和结构数据文件同时计算得到涡轮单流道内液压油和叶片的耦合结果，提取一段时间的结构的应力、应变云图变化以及流体的速度云图变化，并提取叶片中心位置的节点5411和叶片末端的节点2929的位移在这段时间的变化曲线，如下图：,叶片上节点5411位移变化图,叶片上节点2929位移变化图,9,液力变矩器涡轮单流道提
5、取时间段结构应力云图变化,10,液力变矩器涡轮单流道提取时间段结构应变云图变化,11,液力变矩器涡轮单流道提取时间段流体应力云图变化,12,液力变矩器涡轮单流道提取时间段结构速度云图变化,13,液力变矩器涡轮单流道流固耦合计算结果分析,从涡轮的单流道结构在这段时间上的应力云图可以知，叶片上应力最大的地方位于与涡轮壳体连接的地方和叶片末端，此处应力为4MPa左右。查看叶片的应变云图可以知道叶片最脆弱的地方是叶片末端,应变在最大时为3mm/m。综合二者可以假设叶片的叶片在工作过程中最容易损坏的地方即为叶片的末端处,14,液力变矩器整体强度分析,液力变矩器整体强度分析建模,使用CATIA软件建立简化
6、的综合式液力变矩器，考虑其对称性，将液力变矩器切割120度，得到的模型导入ANSYS Workbench，并以尺寸单元为2mm进行网格划分得到如下图有限元模型。,液力变矩器简化模型网格划分,15,液力变矩器整体强度分析,液力变矩器极限工况下整体计算结果,液力变矩器在极限工况（转速500转/秒）工作时，并对液力变矩器内部叶片和壳体施加在应力（叶片与液压油流固耦合分析中估计平均值1.6MPa），施加约束，基于ANSYS Workbench平台计算得到其应力、应变分布图如下。,液力变矩器极限工况下应力分布云图,16,液力变矩器整体强度分析,液力变矩器整体强度计算结果分析,通过计算得到整体结构在极限工
7、况下工作时的最大应力点的应力为303MPa，选取的屈服强度为500MPa，取安全系数为1.5，计算之后得到的许用应力为333.33MPa，最大应力点的值是小于需用应力的，说明其满足强度要求。观察液力变矩器叶片变形的放大图，可以看出叶片变形最大的是叶片的末端，可以知道在流固耦合分析中假设的叶片的末端是叶片最脆弱的环节是正确的。,17,液力变矩器模态分析,同样采用强度分析中液力变矩器的有限元模型，计算出得出该液力变矩器前10阶的固有频率和振型图，在液力变矩器工作工程就要避免这些频率下的振动激励，防止共振，前10阶固有频率如下表：,18,液力变矩器的优化设计,通过以上的分析我们可以得出液力变矩器最容易疲劳损伤的地方为叶片的末端，在本文中选取多种叶片的形状进行分析对比，将叶片从原来的形状改为全弧形叶片与部分弧形叶片相比，叶片的变形有明显的减小，在叶片的末端，以前最大应变为1.767mm/m减小到1.33mm/m。如下为液力变矩器优化前和优化后的模型对比。,19,优化前叶片模型,优化后叶片模型,Thank You !,
