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液力自動變速器(AT)是目前及未來一段時間內(nèi)車輛自動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，美國、韓國、日本等國家的汽車企業(yè)和高校的研究機構(gòu)都投入了大量的人力物力進行沖焊型液力變矩器研究工。此種變矩器的設(shè)計和制造難度較大，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傳動系的運轉(zhuǎn)安全有重大影響。因此在設(shè)計時應(yīng)著重對沖焊型液力變矩器焊接葉輪強度進行計算和有限元分析。
目前國內(nèi)對液力變矩器強度和結(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行單向FSI強度分析，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進行研究，為葉輪強度分析提供一種較為有效的方法。此外，同濟大學(xué)陸忠東等對沖焊型液力變矩器葉片的FSI作用進行了數(shù)值模擬，并對渦輪葉片結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。為了更準確地計算沖焊型液力變矩器焊接強度問題，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行焊接強度分析。
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分析求解在時間上是兩個相對獨立的過程。CFD計算結(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，從而進行結(jié)構(gòu)的有限元計算。針對本文研究的沖焊型液力變矩器葉輪的焊接強度問題，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。葉輪焊接強度計算是在內(nèi)部流場計算的基礎(chǔ)上進行的。
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，渦輪葉片數(shù)為28個，導(dǎo)輪葉片數(shù)為17個。圖為工作腔的流道幾何模型和網(wǎng)格模型。計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格式，邊界條件采用壁面邊界(Wall)和交互面(Interface)兩種，采用滑動網(wǎng)格技術(shù)來解決流體計算中兩個不同區(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動的影響則通過建立亞格子尺度模型來模擬。通過前期大量計算，發(fā)現(xiàn)采用大渦模擬計算出的扭矩與實驗值誤差較小，并且三個葉輪平衡扭矩最接近0值，說明采用大渦模擬時力的計算結(jié)果與實際最為接近。圖為制動工況下，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計算中，由于CFD和FEA計算網(wǎng)格在交換界面上的網(wǎng)格節(jié)點不相匹配，需對兩個物理場耦合面上非匹配網(wǎng)格進行插值變換。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，在不需要重新進行三角化的前提下可以對樣本點的數(shù)據(jù)值進行調(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行CFD數(shù)值計算后，將流場耦合面上的各節(jié)點壓力值及對應(yīng)的節(jié)點坐標以ASCII文件類型輸出。在CFD數(shù)值計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仿真中提取計算前耦合面上的各節(jié)點坐標與計算后相對應(yīng)的節(jié)點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)格進行插值映射，可以得到作用在焊接葉輪耦合面上較為準確的流體壓力載荷。
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