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發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全罩包容性分析

文檔作者：裴偉王萍張冬梅冀樹德伍北軍安宏衛(wèi) 李小娟文檔來源： 1．中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 2．中國(guó)北方車輛研究所 3．66295部隊(duì)4．駐559廠軍事代表室			點(diǎn) 擊數(shù)：
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第2期(總第199期)
2012年4月
車用發(fā)動(dòng)機(jī)
VEH ICLE ENGINE
No．2(Seria1 No．199)
Apr．2012
發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全罩包容-性分析
裴 偉 ，王 萍 ，張冬梅 ，冀樹德 ，伍北軍。，安宏衛(wèi) ，李小娟
(1． 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037036；2．中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072；
3．66295部隊(duì)，河北保定O71000；4．駐559廠軍事代表室，江蘇無錫214035)
摘要：針對(duì)由于渦輪飛散造成的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全問題，利用Ansysworkbech Autodyn軟件進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)
動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算安全罩包容性。首先根據(jù)渦輪典型飛散形式進(jìn)行輸入分析，簡(jiǎn)化仿真模型，降低計(jì)算時(shí)間；然后
根據(jù)現(xiàn)有安全罩厚度利用仿真軟件計(jì)算分析其包容性，并計(jì)算得出安全罩被擊穿時(shí)的臨界厚度；最后通過安全性
評(píng)價(jià)，確認(rèn)現(xiàn)有安全罩設(shè)計(jì)厚度可完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全要求。
關(guān)鍵詞：渦輪；安全罩；非線性；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；包容性
中圖分類號(hào)：TK427．5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001—2222(2012)02—0022～04
渦輪增壓器是一種高速回轉(zhuǎn)機(jī)械，輪周速度的
增加必將帶來一系列可靠性問題_1]。增壓器高速運(yùn)
轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力很容易造成結(jié)構(gòu)破壞，一旦出現(xiàn)故
障，不僅將導(dǎo)致整個(gè)增壓器在極短時(shí)間內(nèi)遭到破壞，
還可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)室內(nèi)昂貴的設(shè)備。本研
究利用Ansysworkbech Autodyn軟件，通過簡(jiǎn)易算
法，對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)室安全罩進(jìn)行包容性分析。
1 輸入分析
目前壓氣機(jī)葉輪基本上都為銑削成型，鋁錠為
鍛造成型，材質(zhì)較均勻，不易飛散。即使飛散，由于
壓氣機(jī)葉輪為鋁質(zhì)材料，與渦輪相比較軟、較輕，如
果渦輪飛散不會(huì)破壞安全罩，則壓氣機(jī)葉輪也不會(huì)
破壞安全罩。因此，本研究對(duì)象確定為渦輪葉輪，而
渦輪葉輪為鑄造成型，材質(zhì)較不均勻，且硬度高，飛
散后破壞力極強(qiáng)。渦輪飛散后形狀不均勻，這就給
計(jì)算建模帶來了難度。
鑄造葉輪內(nèi)部始終存在不同程度的鑄造缺陷，
即實(shí)際上是有裂紋的口]。通過對(duì)多年來的試驗(yàn)結(jié)果
進(jìn)行觀察和分析，由于受應(yīng)力集中位置、去重位置、
鑄造缺陷的綜合影響，葉輪飛散往往從渦輪背部延
伸至前段，典型的飛散主要由3個(gè)部分組成(見
圖la)。第1部分和第2部分質(zhì)量較大，屬于飛散
物的主體，約占整個(gè)葉輪質(zhì)量的2／3，第3部分由碎塊
組成，質(zhì)量較小，全部碎塊約占整個(gè)葉輪質(zhì)量的1／3。
第1
b
圖1 栗增壓器渦輪超速破壞試驗(yàn)結(jié)果
在計(jì)算前，首先應(yīng)確定建模對(duì)象。根據(jù)公式
Ek— 1 ． V2
， (1)
質(zhì)量越大，動(dòng)能(E )越大，所造成的破壞力越大。
圖1a中第3部分是渦輪飛散后再進(jìn)行多次碰撞的
結(jié)果，其質(zhì)量較小，動(dòng)能不會(huì)太大，因此不會(huì)破壞安
全罩，甚至不會(huì)破壞渦輪箱；假設(shè)速度一致，第2部
分質(zhì)量最大，顯然破壞力最強(qiáng)，因此取第2部分作為
分析對(duì)象(見圖2)，其大小為整個(gè)渦輪的1／4～1／3。
收稿日期：2011-11-15；修回日期：2012-04—07
作者簡(jiǎn)介：裴偉(1981一)，男，助理研究員，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)；moderatepw@126．corn。
2012年4月 裴 偉，等：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全罩包容性分析
圖2 渦輪分析模型
2 計(jì)算仿真及模型簡(jiǎn)化
利用Ansysworkbech Autodyn軟件進(jìn)行非線
性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，其計(jì)算流程見圖3。
型I H l蜀募l H 票 H 材料l
圖3 非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析流程
利用Pro／E進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)人Ansys—
workbech；定義單元格類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；定義初
速度和邊界載荷；定義材料屬性(見表1_2 )；定義分
析方式、最小步長(zhǎng)、初始時(shí)間和步長(zhǎng)，進(jìn)行結(jié)算和結(jié)
果分析 ]。
表1 材料屬性
模型 材料 密度／ 楊氏模量／ 屈服強(qiáng)度／ 剪切模量／
名稱 牌號(hào) g‘cm GPa MPa GPa
渦輪 k418 8 211 735 84
渦輪箱 Q4 0(】一18 7．3 155 250 61
安全罩 Q235一A 7．85 200 235 80
根據(jù)計(jì)算流程，需定義渦輪飛散物的初速度，可
根據(jù)式(2)至式(4)進(jìn)行計(jì)算：
27c·R ·72 ?
一 麗 ’ L J
一1．4nT ， (3)
R一~／z +Y 。 (4)
式中： 為渦輪飛散物線速度；R為質(zhì)心半徑； 為
增壓器最高工作轉(zhuǎn)速； 為渦輪飛散轉(zhuǎn)速；z為質(zhì)心
橫軸坐標(biāo)值；Y為質(zhì)心縱軸坐標(biāo)值。
已知增壓器最高工作轉(zhuǎn)速為105 000 r／min，通
過計(jì)算，模型質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的 坐標(biāo)值為10 mm，Y
坐標(biāo)值為13．6 mm，再通過上述公式即可計(jì)算出渦
輪飛散物線速度為260 m／s。
為提高仿真的可信度，正常情況應(yīng)將渦輪飛散
物與渦輪箱都導(dǎo)人Ansysworkbech中進(jìn)行計(jì)算，但
由于模型太過復(fù)雜，受電腦硬件的限制，只能對(duì)計(jì)算
模型再進(jìn)行簡(jiǎn)化，為保證簡(jiǎn)化后的渦輪飛散物初動(dòng)
能不變，在初速度不變的情況下，用等質(zhì)量的子彈模
型進(jìn)行代替(見圖4)。取渦輪箱最薄厚度
(5．5 mm)，建立一個(gè)5．5 mm厚的立方體模型代替
渦輪箱三維模型，而安全罩厚度按實(shí)際情況取
4．5 mm
子彈 渦輪箱
圖4 模型簡(jiǎn)化
按照?qǐng)D3的計(jì)算流程，利用Ansysworkbech
Autodyn軟件即可計(jì)算出結(jié)果。
3 計(jì)算分析
材料狀態(tài)方程采用線性狀態(tài)方程：
P — K“ ， (5)
一(p／po)一1。 (6)
式中：K 為材料體積彈性模量；P。為參考密度。
材料強(qiáng)度模型采用Johnson—cook模型，該模型
適用于高速碰撞引起的強(qiáng)烈沖擊載荷問題。主應(yīng)力
， 和 ，局部屈服條件為
( 1一 2)。+ ( 2一 ) + ( 一 1) 一2Y。， (7)
Y— EA+Be ][1+Clne；][1一 ]。 (8)
式中：y為屈服強(qiáng)度；e。為有效塑性應(yīng)變；e 為縱
向有效塑性應(yīng)變率；對(duì)比溫度T 一(T 一
298)／(Tm 一298)，即變形溫度與熔點(diǎn)溫度的比。
由上述可知，材料的強(qiáng)度是應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度
的函數(shù)，Johnson—Cook模型假設(shè)材料為各向同性，
方程中A，B，C，J和m 為常數(shù)，來自于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
在Autodyn軟件中定義3個(gè)模型材料，計(jì)算結(jié)
果見圖5和圖6。
由圖5、圖6可知，渦輪飛散物(子彈)以初速度
260 m／s穿過了渦輪箱，穿越后速度為113 m／s，打
在安全罩上，最后卡在安全罩與渦輪箱之間。由此
可見，安全罩在4．5 mm 厚度情況下完全能防護(hù)住
渦輪飛散物，其包容性滿足要求。

2012年4月 裴偉，等：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室安全罩包容性分析 · 25 ·
析，著重描述了計(jì)算模型的簡(jiǎn)化方法，并提供了材料
強(qiáng)度模型選擇建議。從工程實(shí)踐的角度，該方法大
大降低了計(jì)算規(guī)模，提高了分析效率，對(duì)試驗(yàn)室安全
罩設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)：
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Jan Macek，Oldrich Vitek，Vit Dolecek． Comparison
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of a Radia1 Turbine[e1．SAE Paper 2009—01-0303．
Containment Analysis of Engine Lab Safety Hood
PEI W ei ，W ANG Ping ，ZHANG Dong—mei ，JI Shu—de ，
WU Bei—j un。，AN Hong—wei ，LI Xiao-j uan
(1．China North Engine Research Institute，Datong 037036，China；
2．China North Vchicle Research Institute，Beijing 100072，China；
3．No． 66295 Unit of PLA ，Baoding 071000，China；
4．M ilitary Deputy Department of 559 Factory，Wuxi 214035，China)
Abstract：For the scattering fragments of turbine，the analysis of nonlinear structural dynamics for scattering fragments was
carried out with the Ansysworkbech Autodyn software and the containment of safety hood was calculated．Based on the scatter—
ing modes of fragment，the input analysis was carried out，the model was simplified and the calculation time was also reduced．
Aceording to the existing thickness of safety hood，the containment of safety hood was calculated and analyzed with simulation
software，and the critical thickness of hood breakdown was acquired．Finally，the existing thickness of safety hood was proved
to meet the safety requirements of engine test．
Key words：turbine；safety hood；nonlinear；structural dynamics；containment [編輯：潘麗麗]
(上接第21頁)
Optimizing Calculation and Influencing Factor Analysis on Vibration Inherent
Characteristic of Engine Vibration Isolation System
PAN Yan—liang ，DONG Da—wei ，YAN Bing ，QI Ping
(1．College of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；
2．China North Engine Research Institute，Datong 037036，China)
Abstract：The inherent characteristic of engine vibration isolation system was theoretically analyzed，the six freedom degrees
decoupling energy theory was introduced and the optimizing design software of engine vibration isolation system was developed．
W ith the software，the analysis of inherent characteristic and the optimization of energy decoupling for the system were carried
out．Considering the deviation between the actual value and design value of suspension components，the deviation of stiffness
parameter for a high decoupling system in every direction was defined as± 20 and the simulation was carried out．The influ—
ence of suspension components stiffness deviation on inherent characteristic was researched．The results would be important for
the vibration isolation design and suspension component process contro1．
Key words：engine；vibration isolation system；inherent characteristic；energy deeoupling [編輯：李建新]

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