CN106777692B - 一种增压器涡轮与叶轮bx寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法包括：选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮；在指定路线上运行发动机，并采集增压器路谱；根据增压器路谱确定增压器特征边界；根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行仿真分析；根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命。本发明能够预测出准确的实际寿命并量化结构的失效风险，满足轻量化设计需要。

Description

一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法

技术领域

本发明涉及发动机工程领域，特别地，涉及一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法。

背景技术

涡轮与叶轮是增压器的核心零部件，涡轮与叶轮的结构设计、结构强度与耐久可靠性要求直接决定了增压器的性能、使用寿命、排放效果，因此，对于涡轮与叶轮的结构可靠性计算就显得尤为重要。增压器的设计重点主要表现在这几个方面：a.性能优异(高效率、低燃油消耗率等)；b.结构可靠性(发动机道路试验的随机路谱)；c.舒适性(NVH)。

传统的增压器涡轮与叶轮可靠性分析方法常采用为利用离心载荷计算其极限转速，这种传统方法固然是一种可靠性分析方法，但具有一定的局限性，仅仅能够保守的预测增压器设计转速，容易造成结构设计的冗余，给设计中的轻量化带来很大挑战。

针对现有技术中的可靠性分析方法的局限性造成结构设计冗余，不能满足轻量化设计需要的问题，目前尚未有有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法，能够预测出准确的实际寿命并量化结构的失效风险，满足轻量化设计需要。

基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法。

根据本发明提供的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法包括：

选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮；

在指定路线上运行发动机，并采集增压器运行路谱；

根据增压器路谱确定增压器特征边界；

根据叶轮与涡轮的特征边界对叶轮与涡轮进行仿真分析；

根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命。

其中，所述BX寿命预测方法预测得到的是涡轮与叶轮的BX寿命；所述指定路线包括以下至少一种地形：高速、市区、市郊、山区；所述采集增压器路谱为采集发动机在前述各地形上运行时产生的随机路谱，其中，路谱包括发动机增压器在所述指定路线的运行数据：转速、涡前压力、涡前温度、涡后压力、涡后温度。

并且，根据增压器路谱确定增压器特征边界包括：

以雨流计数法统计所述指定路线地形上的工作循环；

从统计循环中提取特征循环；

将特征循环的边界作为有限元仿真计算的特征边界，其中，有限元仿真计算时增压器转速换算为线速度并取整。

同时，所述叶轮与涡轮的材料属性包括以下至少之一：在不同温度下的弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀率；根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行有限元仿真分析包括：

对叶轮与涡轮进行传热分析，获取叶轮与涡轮结构的温度分布；

对增压器特征边界进行分析，获得涡轮与叶轮的应力与应变；

判断叶轮与涡轮的结构是否满足设计要求。

并且，根据有限元仿真分析的结果通过疲劳仿真分析软件预测特征循环涡轮与叶轮BX寿命包括：

以所述有限元仿真分析结果作为边界建立多循环的交变负荷疲劳失效模式；

计算特征循环下涡轮与叶轮的损伤值；

根据损伤值预测涡轮与叶轮的寿命。

其中，根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命之后，还执行以下步骤：

生成增压器转速与寿命的关系函数；

生成累积失效率与寿命的关系函数。

并且，生成增压器转速与寿命的关系函数包括：

根据涡轮与叶轮轮径大小，设定涡轮与叶轮在该轮径区间以某线速度的边界运行的增压器寿命是无限寿命；

获得特征边界条件下增压器转速与对应的寿命；

根据增压器转速值取对数后与寿命值满足的一阶线性方程，将无限寿命转速与寿命、特征边界转速与寿命拟合转速与寿命关系曲线。

并且，生成增压器转速与寿命的关系函数时，基于发动机道路试验的随机路谱以指数函数曲线为模型进行BX寿命预测。

另外，生成累积失效率与寿命的关系函数包括：

根据转速寿命曲线插值获得真实转速下的特征寿命；

利用Weibull分布法拟合出寿命与累积失效率的关系曲线。

并且，生成累积失效率与寿命的关系函数时，以反指数函数曲线为模型计算失效率；基于发动机道路试验的随机路谱根据特定地形试验里程数占道路试验总里程数的比率与试验的BX寿命计算增压器涡轮与叶轮的BX折合寿命。

从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案通过选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮，在指定路线上运行发动机，采集增压器路谱确定增压器特征边界，对叶轮与涡轮进行仿真分析并预测涡轮与叶轮BX寿命的技术手段，能够预测出准确的实际寿命并量化结构的失效风险，满足轻量化设计需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法的计算流程图；

图3为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，高速工况的循环路谱；

图4为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，高速工况的雨流统计分布图；

图5为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，市区工况的循环路谱；

图6为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，市区工况的雨流统计分布图；

图7为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，市郊工况的循环路谱；

图8为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法中，市郊工况的雨流统计分布图；

图9为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法的转速与寿命函数曲线图；

图10为根据本发明实施例的一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法的寿命与累积失效率函数曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步进行清楚、完整、详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个实施例，提供了一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法。

如图1所示，根据本发明实施例提供的增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法包括：

步骤S101，选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮；

步骤S103，在指定路线上运行发动机，并采集增压器路谱；

步骤S105，根据增压器路谱确定增压器特征边界；

步骤S107，根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行仿真分析；

步骤S109，根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命。

其中，所述BX寿命预测方法预测得到的是涡轮与叶轮的BX寿命；所述指定路线包括以下至少一种地形：高速、市区、市郊、山区；所述采集增压器路谱为采集发动机在前述各地形上运行时产生的随机路谱，其中，路谱包括发动机增压器在所述指定路线的运行数据：转速、涡前压力、涡前温度、涡后压力、涡后温度。

并且，根据增压器路谱确定增压器特征边界包括：

以雨流计数法统计所述指定路线地形上的工作循环；

从统计循环中提取特征循环；

将特征循环的边界作为有限元仿真计算的特征边界，其中，有限元仿真计算时增压器转速换算为线速度并取整。

同时，所述叶轮与涡轮的材料属性包括：在不同温度下的弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀率；根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行有限元仿真分析包括：

对叶轮与涡轮进行传热分析，获取叶轮与涡轮结构的温度分布；

对增压器特征边界进行分析，获得涡轮与叶轮的应力与应变；

判断叶轮与涡轮的结构是否满足设计要求。

并且，根据有限元仿真分析的结果通过疲劳仿真分析软件预测特征循环涡轮与叶轮BX寿命包括：

以所述有限元仿真分析结果作为边界建立多循环的交变负荷疲劳失效模式；

计算特征循环下涡轮与叶轮的损伤值；

根据损伤值预测涡轮与叶轮的寿命。

其中，根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命之后，还执行以下步骤：

生成增压器转速与寿命的关系函数；

生成累积失效率与寿命的关系函数。

并且，生成增压器转速与寿命的关系函数包括：

根据涡轮与叶轮轮径大小，设定涡轮与叶轮在该轮径区间以某线速度的边界运行的增压器寿命是无限寿命；

获得特征边界条件下增压器转速与对应的寿命；

根据增压器转速值取对数后与寿命值满足的一阶线性方程，将无限寿命转速与寿命、特征边界转速与寿命拟合转速与寿命关系曲线。

并且，生成增压器转速与寿命的关系函数时，基于发动机道路试验的随机路谱以指数函数曲线为模型进行BX寿命预测。

另外，生成累积失效率与寿命的关系函数包括：

根据转速寿命曲线插值获得真实转速下的特征寿命；

利用Weibull分布法拟合出寿命与累积失效率的关系曲线。

并且，生成累积失效率与寿命的关系函数时，以反指数函数曲线为模型计算失效率；基于发动机道路试验的随机路谱根据特定地形试验里程数占道路试验总里程数的比率与试验的BX寿命计算增压器涡轮与叶轮的BX折合寿命。

具体实施例中BX寿命取B0.5寿命，即允许0.5％的涡轮与叶轮失效下的寿命。

图2示出的是计算流程图。如图2所示，首先利用现有的结构形式选取一款现阶段开发使用并具有代表性的增压器，利用三维CAD软件分别建立新型涡轮与叶轮模型并通过前期的相关配试完成其相应的前处理，明确涡轮与叶轮BX寿命计算的三维方案。

确定高速、市区、市郊、山区等运行工况的路谱总里程数。安装增压器转速，涡前和涡后的压力、温度等传感器和其它测试设备；。

测定和编辑增压器特征边界。在道路上运行安装上述步骤中叶轮与涡轮的增压器，利用专业的标定数据采集软件，采集整车上的增压器随机路谱(包括高速、市区、市郊、山区)。基于雨流计数法统计高速工况(或市区、市郊、山区)下的工作循环，提取统计的循环中某循环作为特征循环，将该特征循环的边界作为仿真计算的特征边界。增压器转速换算为线速度后线速度取整数。

基于特征边界的有限元仿真分析。选取涡轮与叶轮，合理选取其材料，通过试验获取材料的相关材料属性属性，包括不同温度下的弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀率等。通过传热分析，获取涡轮与叶轮结构的温度场分布；通过增压器特征边界，计算涡轮与叶轮的应力与应变，结合相应的判据可以对涡轮与叶轮结构进行初始的设计判断，如不满足可以返回设计阶段进行相应的三维几何修改，指导满足判据要求。

特征边界的疲劳分析与寿命预测。在经过特征边界的有限元仿真分析后，将统计的随机路谱作为有限元仿真分析的结果作为边界，建立多循环的交变负荷疲劳失效模式，通过疲劳仿真分析软件预测计算该失效模式下涡轮与叶轮的损伤值，并根据单循环对应的里程预测涡轮与叶轮的寿命。

建立增压器转速与寿命的关系函数。根据涡轮与叶轮轮径大小，设定涡轮与叶轮在该轮径区间以某线速度的边界运行的增压器寿命是无限寿命。根据随机路谱的转速得出特征边界条件下增压器转速与对应的寿命。由于增压器转速值取对数后与寿命值满足一阶线性方程，则可以通过无限寿命转速与寿命、特征边界转速与寿命拟合转速与寿命关系曲线。

累积失效率与寿命的关系函数。利用上述步骤中转速寿命曲线插值求出真实转速(未取整数前的转速)下的特征寿命，利用Weibull分布法拟合出寿命与累积失效率的关系曲线。

基于发动机道路试验的随机路谱的寿命与转速关系函数计算公式如(1)所示。累积失效率与寿命的关系函数的计算公式如公式(2)所示，增压器涡轮与叶轮BX折合寿命计算公式如(3)所示，具体如下：

L(x)＝e^f(x) (1)

F(x)＝1-(1-BX)^g(x) (2)

下面根据具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。

初始增压器涡轮与叶轮结构选取：利用现有的结构形式选取一款现阶段开发使用并具有代表性的增压器，利用三维CAD软件分别建立新型涡轮与叶轮模型并通过前期的相关配试完成其相应的前处理，明确涡轮与叶轮B0.5寿命计算的三维方案。

道路试验仅在高速、市区、市郊三个运行工况下进行，每种随机路谱运行30公里，总里程为90公里(本次试验未采集山区道路的随机路谱)；

安装增压器转速，涡前和涡后的压力、温度等传感器和其它测试设备；

测定和编辑增压器特征边界。安装目标增压器并利用专业的标定数据采集软件，采集整车上的增压器随机路谱(包括高速、市区、市郊)。基于雨流计数法统计高速工况、市区工况、市郊工况下的工作循环，提取统计的循环中某循环作为特征循环，将该特征循环的边界作为仿真计算的特征边界(增压器转速换算为线速度后线速度取整数)。高速工况的循环路谱见图3所示，雨流统计结果见图4所示，高速工况的循环路谱见图5所示，雨流统计结果见图6所示，高速工况的循环路谱见图7所示，雨流统计结果见图8所示。

基于特征边界的有限元仿真分析。选取涡轮与叶轮材料，通过试验获取材料的相关材料属性属性，包括不同温度下的弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀率等。通过传热分析，获取涡轮与叶轮结构的温度场分布；通过增压器特征边界，计算涡轮与叶轮的应力与应变，结合相应的判据可以对涡轮与叶轮结构进行初始的设计判断，如不满足可以返回设计阶段进行相应的三维几何修改，指导满足判据要求；

特征边界的疲劳仿真分析与寿命预测。在经过特征边界的有限元仿真分析后，将有限元分析的结果作为疲劳仿真分析的边界，用Femfat疲劳分析软件计算该失效模式下涡轮与叶轮的损伤值，并根据单循环对应的里程预测涡轮与叶轮的寿命；

建立增压器转速与寿命的关系函数。根据涡轮与叶轮轮径大小，设定涡轮与叶轮在该轮径区间以某线速度的边界运行的增压器寿命是无限寿命。计算总循环特征边界条件下增压器转速与对应的寿命。由于增压器转速值取对数后与寿命值满足一阶线性方程，则可以通过无限寿命转速与寿命、特征边界转速与寿命拟合转速与寿命函数曲线，转速与寿命函数曲线见图9所示。

累积失效率与寿命的关系函数。利用上述步骤中转速寿命曲线插值求出真实转速(未取整数前的转速)下的特征寿命，利用Weibull分布法拟合出寿命与累积失效率的关系曲线，寿命与累积失效率函数曲线见图10所示。

增压器涡轮与叶轮BX折合寿命计算：根据增压器标定的设计转速，从图9中标出高速公路工况条件下的寿命N1，市区工况条件下的寿命N2，市郊工况条件下的寿命N3。

结合上述分析结果，以新型增压器涡轮与叶轮B0.5的寿命计算方法结合发动机道路试验的随机路谱数据、材料等因素。运用统计学原理得出涡轮与叶轮的寿命与累积失效率，能够准确的预测出其实际工作寿命。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮，在指定路线上运行发动机，采集增压器路谱确定增压器特征边界，对叶轮与涡轮进行仿真分析并预测涡轮与叶轮BX寿命的技术手段，能够预测出准确的实际寿命并量化结构的失效风险，满足轻量化设计需要。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增压器涡轮与叶轮BX寿命预测方法，其特征在于，预测得到的是涡轮与叶轮的BX寿命，包括：

选取与发动机性能相匹配的增压器叶轮与涡轮；

在指定路线上运行发动机，并采集增压器运行路谱；

根据所述运行路谱，以雨流计数法统计所述指定路线地形上的工作循环；

从统计循环中提取特征循环；

将特征循环的边界作为有限元仿真计算的特征边界，其中，有限元仿真计算时增压器转速换算为线速度并取整；

根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行有限元仿真分析；

根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命；

其中，根据叶轮与涡轮的材料属性与增压器特征边界对叶轮与涡轮进行有限元仿真分析包括：

对叶轮与涡轮进行传热分析，获取叶轮与涡轮结构的温度分布；

对增压器特征边界进行分析，获得涡轮与叶轮的应力与应变；

判断叶轮与涡轮的结构是否满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指定路线包括以下至少一种地形：高速、市区、市郊、山区；所述采集增压器路谱为采集发动机在前述各地形上运行时产生的随机路谱，其中，路谱包括发动机增压器在所述指定路线的运行数据：转速、涡前压力、涡前温度、涡后压力、涡后温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮与涡轮的材料属性包括：在不同温度下的弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据有限元仿真分析的结果通过疲劳仿真分析软件预测特征循环涡轮与叶轮BX寿命包括：

以所述有限元仿真分析结果作为边界建立多循环的交变负荷疲劳失效模式；

计算特征循环下涡轮与叶轮的损伤值；

根据损伤值预测涡轮与叶轮的寿命。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据仿真分析的结果预测涡轮与叶轮BX寿命之后，还执行以下步骤：

生成增压器转速与寿命的关系函数；

生成累积失效率与寿命的关系函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，生成增压器转速与寿命的关系函数包括：

根据涡轮与叶轮轮径大小，设定涡轮与叶轮在该轮径区间以某线速度的边界运行的增压器寿命是无限寿命；

获得特征边界条件下增压器转速与对应的寿命；

根据增压器转速值取对数后与寿命值满足的一阶线性方程，将无限寿命转速与寿命、特征边界转速与寿命拟合转速与寿命关系曲线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，生成增压器转速与寿命的关系函数时，基于发动机道路试验的随机路谱以指数函数曲线为模型进行BX寿命评估。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，生成累积失效率与寿命的关系函数包括：

根据转速寿命曲线插值获得真实转速下的特征寿命；

利用Weibull分布法拟合出寿命与累积失效率的关系曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，生成累积失效率与寿命的关系函数时，以反指数函数曲线为模型计算失效率；基于发动机道路试验的随机路谱根据特定地形试验里程数占道路试验总里程数的比率与试验的BX寿命计算增压器涡轮与叶轮的BX折合寿命。

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