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液力自動(dòng)變速器(AT)是目前及未來一段時(shí)間內(nèi)車輛自動(dòng)變速器中市場占有率最高的產(chǎn)品。沖焊型液力變矩器是液力自動(dòng)變速器(AT)的核心部件。國外轎車沖焊型液力變矩器已成為研究熱點(diǎn)，美國、韓國、日本等國家的汽車企業(yè)和高校的研究機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力物力進(jìn)行沖焊型液力變矩器研究工。此種變矩器的設(shè)計(jì)和制造難度較大，其焊接結(jié)構(gòu)的可靠性將直接影響變矩器的工作性能并對整個(gè)傳動(dòng)系的運(yùn)轉(zhuǎn)安全有重大影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重對沖焊型液力變矩器焊接葉輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和有限元分析。
目前國內(nèi)對液力變矩器強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要以鑄造型為主，北京理工大學(xué)魏巍等對液力變矩器葉片進(jìn)行單向FSI強(qiáng)度分析，得到了葉片的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)；閏清東等川采用周期性模型對大功率液力變矩器葉輪的FSI進(jìn)行研究，為葉輪強(qiáng)度分析提供一種較為有效的方法。此外，同濟(jì)大學(xué)陸忠東等對沖焊型液力變矩器葉片的FSI作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對渦輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算沖焊型液力變矩器焊接強(qiáng)度問題，本文基于單向FSI的方法，對某型沖焊型液力變矩器葉輪耦合系統(tǒng)采用整體離散和整體求解的方法進(jìn)行焊接強(qiáng)度分析。
單向FSI是在固體的變形微小、忽略其對流體影響的情況下，只考慮流體應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的作用。單向FSI分析流程如圖所示。流場的CFD數(shù)值仿真和結(jié)構(gòu)的FEA分析求解在時(shí)間上是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程。CFD計(jì)算結(jié)果中耦合面上的壓力值通過網(wǎng)格映射轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)載荷施加到結(jié)構(gòu)的耦合面上，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算。針對本文研究的沖焊型液力變矩器葉輪的焊接強(qiáng)度問題，假設(shè)變矩器葉輪及葉片的變形量對流場的影響較小，所以采用單向FSI分析方法。葉輪焊接強(qiáng)度計(jì)算是在內(nèi)部流場計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
本文首先采用CFD軟件對某沖焊型液力變矩器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值仿真。該變矩器循環(huán)圓有效直徑為255 mm，其中泵輪葉片數(shù)為21個(gè)，渦輪葉片數(shù)為28個(gè)，導(dǎo)輪葉片數(shù)為17個(gè)。圖為工作腔的流道幾何模型和網(wǎng)格模型。計(jì)算采用分離式求解器，壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，邊界條件采用壁面邊界(Wall)和交互面(Interface)兩種，采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來解決流體計(jì)算中兩個(gè)不同區(qū)域的相互交互作用。湍流模型采用大渦模擬，其基本思想是：用瞬時(shí)的Navier-Stocks方程組直接模擬湍流中的大尺度渦，而小尺度渦對大尺度渦運(yùn)動(dòng)的影響則通過建立亞格子尺度模型來模擬。通過前期大量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用大渦模擬計(jì)算出的扭矩與實(shí)驗(yàn)值誤差較小，并且三個(gè)葉輪平衡扭矩最接近0值，說明采用大渦模擬時(shí)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際最為接近。圖為制動(dòng)工況下，工作流場中提取出的渦輪葉片工作面和非工作面上的靜壓力分布圖。其上的流場壓力通過FSI作用的邊界面施加給葉片結(jié)構(gòu)。
在FSI計(jì)算中，由于CFD和FEA計(jì)算網(wǎng)格在交換界面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不相匹配，需對兩個(gè)物理場耦合面上非匹配網(wǎng)格進(jìn)行插值變換。本文利用Matlab中的插值命令TriScatteredInterp來完成網(wǎng)格差值變換。該方法避免了大量繁瑣的狄洛尼三角的構(gòu)建，在不需要重新進(jìn)行三角化的前提下可以對樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行調(diào)整。此種插值算法穩(wěn)定性好、速度快、精度高，能夠得到較好的插值效果。對液力變矩器的工作流場進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算后，將流場耦合面上的各節(jié)點(diǎn)壓力值及對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以ASCII文件類型輸出。在CFD數(shù)值計(jì)算中泵輪流道和渦輪流道將沿著Interface面做相對滑移，所以在做流體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的插值映射前，需通過坐標(biāo)變換，將CFD和FEA模型的耦合邊界面相對應(yīng)。在CFD仿真中提取計(jì)算前耦合面上的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與計(jì)算后相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)壓力值用于插值變換。在流固耦合面上，對流體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行插值映射，可以得到作用在焊接葉輪耦合面上較為準(zhǔn)確的流體壓力載荷。
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