大功率液力变矩器叶轮强度有限元分析

　　0 引言

　　作为履带装甲车辆液力传动系统的重要组成部分，液力变矩器是1 种典型的旋转叶轮机械，在现有较成熟结构形式下，其功率密度的提高主要体现在高泵轮输入转速上，而随着泵轮转速大幅提高，在传统成熟材料、结构、工艺条件下，液力变矩器叶轮系统( 包括泵轮、涡轮和导轮) 强度能否满足高转速工况的使用要求，是亟待解决的关键问题。叶轮机械叶片受力情况较为复杂，主要载荷包括结构惯性离心力、内部流体压力载荷以及传动能量消耗产生的热应力。由于稳定工作时温度变化不大，热应力一般不考虑[1]，因此液力变矩器叶轮的载荷主要来自流体压力载荷以及高转速下的惯性离心载荷。

　　对液力变矩器叶轮结构的强度分析，常采用流固耦合分析法进行。流固耦合( FSI) 通常有 2 种求解方法: 强耦合法和弱耦合法[2]。弱耦合方法中，结构和流体求解器交替执行，求解结构时将界面作为自然边界，而对流体求解时将界面作为基本边界[3]。单向 FSI 是弱耦合的 1 种简化形式[4]，即在固体的变形微小，忽略其对流体的影响情况下，只考虑流体应力对结构的作用而不考虑流固相互作用。

　　由于液力变矩器各叶轮形状复杂，对叶片、外环和内毂整体进行三维 FSI 分析，目前国内相关文献研究相对较少。魏巍等以液力变矩器工作轮叶片为研究对象，进行了叶片单向 FSI 强度分析，得到了叶片的等效应力和变形分布状态，但文献[1]没有将外环、内毂等与叶片相连结构一起建模，因而没有考虑相连结构在高转速下的离心力对叶片强度的影响。陆忠东等[2]采用弱耦合分析方法，对某型液力变矩器的涡轮叶片进行了低转速下( 200 r/min) 瞬态流场数值模拟和瞬态结构动力学计算，指出叶片在工作中产生的变形甚至疲劳破坏的原因主要来自于流体作用力而非其自身旋转离心力的作用。

　　王峰等[5]对具有直叶片形式的某液力减速器进行了叶轮 FSI 分析，将流场分析结果通过坐标变换、曲面拟合施加到形状较简单的直叶片有限元模型上，实现了较为精准的液力减速器的叶片强度分析。但坐标变换的方法误差较大，且不适用于叶片形状较复杂的液力变矩器的分析。

　　本文以某液力变矩器叶轮为例，采用单向 FSI方法，基于 ANSYS Workbench 12. 0 提供的计算平台，综合考虑高转速下叶轮的惯性离心载荷和流体压力载荷，在不同的稳态工况，对其进行了结构静力学有限元强度分析。

　　1 计算模型的建立

　　在高转速液力变矩器叶轮的应力分析中，假设变矩器内部流场导致叶轮变形量较小，传动介质为不可压理想流体，叶轮为线弹性体，在此假设下可按单向 FSI 理论进行分析。在液力变矩器内部流道内，液流作用在各叶轮及叶片表面上，形成流体压力载荷。本文采用 SIMPLE 算法，借助 ANSYS/CFX-5软件，求解标准 k-ε 模型的控制方程组[6]，得到了流体压力载荷。叶轮强度计算在流体压力载荷计算基础上进行。在叶轮进入稳态工况时，可按结构静力学进行分析。文献[1，7]给出了单向 FSI 系统基本方程及边界条件。