粉末注射成形涡轮结构优化设计及性能分析

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1、粉末注射成形涡轮结构优化设计及性能分析白晓松2015年6月中图分类号：TK422UDC分类号：62-2粉末注射成形涡轮结构优化设计及性能分析作者姓名白晓松学院名称机械与车辆学院指导教师黄若教授答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月TheStructureOptimizationandPerformanceAnalysisofPowderInjectionMoldingTurbineCandidateName:BaiXiaosongSchoolorDe

2、partment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.HuangRuoChair,ThesisCommittee:Prof.MaChaochenDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究

3、工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要粉末注射成形技术是目前世界上最热门的精密复杂零件成形技术，该技术可制造传统方法难以制造、甚至不能直接制造的零件。采用粉末注射成形涡轮叶轮较传统精密铸造制造的涡轮，内部微观组织更均匀，机械、力学性能更高，而

4、且材料利用率可达95%以上，这对节约镍基高温合金等战略材料意义重大。此外，粉末注射成形工艺在最小直径、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面都显示出优势，注射成形模具设计更加灵活，可以拓宽涡轮叶片型面与结构设计范围。基于此，本文以JP60C车用涡轮增压器涡轮叶轮为研究对象，结合现有粉末注射成形技术特点，对现有铸造涡轮进行结构优化。并对优化减重后的涡轮性能进行分析，主要研究内容如下：（1）基于最优化设计的原理，选取适当的设计变量，应用ANSYS优化设计模块，以结构强度为约束条件，以涡轮重量最小为优化目标，对现有涡轮叶轮结构进

5、行以减重为目的的结构优化。优化结果将涡轮重量由原来的124.776g减小到105.032g，减少了15.82%。（2）利用ANSYS软件，建立涡轮叶轮的有限元模型，对优化减重前后涡轮进行强度和固有频率分析。结果表明：减重后涡轮叶轮最大等效应力有所增加，但是仍在材料的屈服极限范围内。其次，减重后涡轮最大等效应力和最大形变的位置都发生了改变，均由涡轮叶根上部转移到涡轮叶根下部。优化减重后的涡轮叶轮的低阶固有频率都有相应的减小，但固有振动特性变化不是非常明显。（3）分析涡轮叶轮表面状态、尺寸效应、运行环境等因素对叶轮抗疲劳

6、寿命的影响。根据优化前后涡轮叶轮应力状态的分析结果，计算出应力集中系数，对减重优化后的涡轮叶轮进行寿命分析。结果表明：优化减重后涡轮叶轮满足寿命使用要求。（4）对优化减重前后的涡轮增压器转子，应用Samcef软件进行转子动力学分析，计算优化减重前后转子—轴承系统的临界转速。结果表明：涡轮优化后，二阶临界转速由90586r/min降为83726r/min，降低了7.5%。其一、二阶临界转速相比优化前更为接近，拓宽了转子安全工作转速范围，改善了转子动力学性能。关键词：粉末注射成形；涡轮叶轮；结构优化设计；性能分析I北京理

7、工大学硕士学位论文AbstractPowderinjectionmoldingisthemostpotentialmethodtomanufacturecomplexandprecisionparts,whichcanhardlybeproducedbythetraditionalmethod.TheturbinethatmanufacturedbythePIMprocesshaveaveryuniformmicrostructure,higherdensity.Andthemechanicalpropertyisb

8、etterthantheturbinewhichismadebytheprecisioncastingprocess.Besides,thematerialutilizationcanreachmorethan95%.Soithasagreatinfluenceonsavingstrategicmaterialssuchasnickel-bas