THUNDER元件热机电耦合动力学分析

热－结构耦合分析1 前言增压器的工作原理是，通过发动机废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收发动机排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到发动机气缸内，起到增压的目的。

涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用，还要面对发动机所排出的700℃左右的高温，因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。

一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料，有良好的高温机械性能，但由于其密度大，直接影响增压器的加速性。

采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性，但材料的高温特性还需要进一步验证。

本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后，针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化，进行了分析和总结，同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法，进一步提高了设计准确度。

2 涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮，叶轮最大直径为136.2mm，叶片由12 片组成，整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后，由原来的2.4 公斤减为1.15 公斤。

该材料密度为3.9g/cm3，常温下屈服强度σp0.2＝452MPa，抗拉强度σb＝533Mpa，随温度变化趋势图见图1，材料性能如表1 所示。

图1 钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图表1 TiAl 涡轮叶轮材料性能为了降低计算规模，根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点，在计算过程中取叶轮的1/12 模型，设置周期性边界进行计算、分析。

网格选用8 节点六面体实体单元SOLID45，在叶片的圆角处进行了网格细化，同时根据实际情况定义了位移约束。

3 试验结果分析涡轮叶轮采用钛铝合金材料后，为验证其可靠性，进行了超速破坏试验，当增压器转速达到90000 转/分钟后，涡轮叶轮发生断裂，如图2 所示。

经初步分析，叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的，断裂位置如图3 所示。

图2 TiAl 涡轮叶轮破坏情况图3 TiAl 涡轮叶轮断裂位置试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现，叶片最大应力集中的区域，并不在试验样件断裂的位置，最大应力集中区域为图4 标识区域中叶片根部，为605.259MPa，实际断裂位置为470.962MPa。

科学技术创新2021.12部位 Bear1 Bear2 Bear3 Bear4 Bear5 Fr （N ）12955 9122 8475 5478 0 Fa （N ）38043804表1各轴承受力大小近年来，我国高速铁路发展迅速，运营里程达世界之最。

齿轮箱是高速列车的关键部件，其可靠性将直接影响到列车的运行安全性[1-2]。

高铁齿轮箱体设计要求：（1）承担动力传递过程中作用在箱体上的载荷，要有较高的强度；（2）工作过程中箱体变形小、刚度大，并能实现齿轮与轴承的润滑要求。

箱体的结构特点：在箱体顶部、侧面及两端之外的表面均设有加强筋板，提高齿轮箱体垂向和侧向的刚度;在轴承座处同样设置了多条筋板，提高轴承座的刚度[3-4]。

高铁齿轮箱工作于高速重载环境中，负载、温度对箱体应力、变形影响复杂，现有文献很少从热-结构耦合角度对高铁齿轮箱进行研究。

本文运用Ansys 软件对箱体进行热-结构耦合分析，研究高速列车运行过程中箱体的应力应变情况，确定其薄弱环节，为箱体结构改进和优化提供支持。

1建立高速列车齿轮箱有限元分析模型在Solidworks 中对模型简化处理，去除圆角、倒角、锐角等非重要结构，导入Ansys 用meshing 模块进行四面体非结构化网格划分，网格扭曲度小于0.73。

考虑风速对温度场的影响，在Ansys 中用包围命令得到图1所示外部风场流域和内部油气混合物流域，网格模型见图2。

热分析时，结合传动零件热量传递路径情况，将齿轮啮合接触部分、轴承内外圈与滚动体接触部分切出2mm 的薄片用于摩擦功率的加载，如图3、图4所示。

2高速列车齿轮箱产热计算2.1轴承受力分析工况：正转，350km/h,输出转速2185r/min ，输出轴扭矩2841N ·m 稳态油温100℃，风速5m/s 。

齿轮箱体基本参数：从动轮直径d 1为543.80mm ，螺旋角β为20°，各轴承的分布如图5所示。

图5齿轮箱箱体轴承的分布圆周力：F t =2000Td1高速列车齿轮箱箱体热-结构耦合分析何锐（北方工业大学机械工程学院，北京100043）摘要：齿轮箱是高速列车运行的重要部分，对某型号齿轮箱，应用Ansys 建立有限元仿真模型，对其进行热-结构耦合分析。

某电机多物理场耦合分析1、概述为了验证ANSYS耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如下工作：1建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；2首先进行电机磁场分析，计算获取了电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；3利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；4使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况。

同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析。

所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成。

2、引言众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、相互影响的，是典型的多场耦合问题学科。

由于多场耦合问题的研究十分复杂和困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类进行独立的研究。

ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件。

应用ANSYS的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题。

为了实际考核ANSYS的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力，ANSYS公司成都办事处对某牵引电机进行了多物理场耦合研究分析。

研究分析的内容为：运用ANSYS软件建立起电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；首先进行电机磁场分析，计算获取电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。