于采用粉末注射成形工艺，利用该方法所得优化结构不会 对生产成本和加工难度产生不利影响。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明所述优化前的涡轮主剖视结构示意图， 图2是本发明所述优化后的涡轮主剖视结构示意图， 图3是本发明所述优化后的涡轮各变量示意图 图4是JP60涡轮主剖视结构示意图。
[0018] 在图中，1、轮毂2、叶轮3、环形槽 4、下圆孔5、上圆孔。
【具体实施方式】
[0019] 在图1和图2中，其中图1是优化前涡轮主剖视结构示意图，图2是本发明所述优 化后的涡轮主剖视结构示意图。
[0020] 所述粉末注射成形增压器涡轮，它包括轮毂1和等间隔（或不等间隔）设置在轮毂 上的叶轮2,在轮毂上端和下端分别设置有与轮毂同轴心的下圆孔4和上圆孔5,所述上圆 孔和下圆孔为其两内端相隔的盲孔，盲孔最好为圆锥孔(相当于带有拔模斜度的圆孔)，所 述轮毂底端设置有环形槽3,所述环形槽与轮毂轴同心，以车用涡轮增压器JP60涡轮为具 体实施例（见图4)，涡轮进口直径Φ53πιπι、出口直径Φ46. 2mm，最大重量为124. 776g。本发 明优化后的该涡轮结构与优化前结构相比结构上发生变化，除已有的尺寸外，新增了上圆 孔、下圆孔和环形槽三个技术特征，每个技术特征包括至少一个尺寸变量，即有上圆孔的孔 径和深度尺寸变量；下圆孔的孔径和深度尺寸变量；环形槽深度尺寸变量和下圆孔的拔模 斜度共七个变量(如图3所示)。
[0021] 本发明采用如下方法来确定最佳的上述七个变量。
[0022] a、以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构 满足强度要求和使用要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的 最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构 的优化数学模型： 目标函数如下，即nil [Af1JTj，设计变量：…，约束条件：Sfir ; 式中，M为涡轮质量；J：为涡轮最高转速下的应力集中系数；JT为设计变量；?为设 计变量的个数；0·为涡轮最大等效应力；σ为涡轮屈服极限强度；^ 分别为各设计变量的上下限值如下表达式如下表1所示： 表1为各设计变量取值范围
b、采用α-方法进行计算得到目标函数值的矩阵，用矩阵IaU建立如下三个 线性方程来求得目标函数的加权因子W、W2和待定常数C，
式中，f为目标函数个数、右为目标函数值的矩阵、e为待定常数； 将匕代入公式⑴得：
整理可得：
求解此三个方程可求出Wp胃2和C。
[0023] 矩阵中101. 209和9. 83分别为涡轮最大应力为屈服极限时的涡轮质量和应力集 中系数；124. 776和2. 91分别为涡轮优化前的涡轮质量和应力集中系数。
[0024] 将代入到公式（3)中，可得到三个方程，可以求得W1= 0.227、W2= 0.773和 C=30. 573〇
[0025] c、建立评价函数如下：Min : 式中，z为评价因子；Me是涡轮结构质量M的理想值；JT是最高转速下应力集中系 数JT的理想值；#为指数；W1W2分别为各目标函数的加权因子； 在求L^U时，需要先分别确定各个分目标函数的约束最优解，然后用此η个点分别计 算出各个目标函数的相应的值"。对于此例，也就是需要先确定涡轮质量和涡轮最高转速下 应力集中系数两个目标函数的最优解。"在计算过程中不考虑应力集中系数的影响，只需得 到当最大应力为屈服极限时涡轮的质量即可，将该值作为涡轮结构质量的理想值该 点作为涡轮质量最优解点。目标函数值矩阵中的应力集中系数最优解点通过计算优化前涡 轮结构的应力集中系数获得。应力集中系数影响涡轮的使用寿命，优化前的涡轮已经满足 使用要求，优化后的涡轮应满足使用要求，不影响使用寿命。因此，将优化前涡轮结构的应 力集中系数作为最高速旋转下涡轮应力集中系数的理想值JT，该点作为最高转速下涡轮 应力集中系数最优解点。根据这个方法确定涡轮质量最优解点和应力集中系数最优解点， 然后分别求出这两个点的涡轮质量和应力集中系数。101. 209和9. 83是涡轮质量最优解点 时的涡轮质量和应力集中系数；124. 776和2. 91是应力集中。
[0026] d、通过ANSYS求出多组不考虑应力集中系数下的设计变量X，得到涡轮多目标优 化解集，然后，将每组设计变量所对应的M和K代入评价函数中，求出每组设计变量所对应 的评价因子Z。
[0027] e、通过ANSYS软件求出多组设计变量得到涡轮多目标优化解集，解集中含有若干 组数据，每组数据中包含多个设计变量的值，每组数据对应一个M和K，通过ANSYS求出多组 设计变量(多组设计变量是ANSYS按照结构质量最小求解，此时不考虑应力集中系数)，得到 涡轮多目标优化解集。然后，将每组设计变量所对应的M和K代入公式（2)中求出每组设 计变量对应的评价因子Z。从结果中选取最小值作为最优结果Zmin，同时可以得到Zmin所对 应的设计变量，将此组设计变量作为最终优化结果。
[0028] (这是多目标优化的大体思路，这种优化方法就是同时考虑了结构质量和应力集 中系数两个目标函数，对ANSYS的求解结果进行了处理。主要是为了使自己的优化方法与 别的有所区别。但是在计算过程中限于时间关系只是把ANSYS的优化结果作为结果， f、将每组数据所对应M和K代入评价函数中，求出每组数据对应的评价因子Z，从所有 评价因子中选取评价因子最小值作为最优结果Zmin，根据Zmin选取所对应的设计变量，将此 组设计变量作为最终涡轮结构各设计变量优化结果(如表2所示）
[0029] 表2为优化前后各设计变量对比表 将优化后的涡轮各部份尺变量值进行设计，PA_1 = 12, PA_2 = 19, PA_3 = 2， PA_4 = 4, PA_5 = 9, PA_6 = 6, PA_7 = 2为最佳设计值，也就是说在上述7个变量值 优化确定后，此时，涡轮在能确保满足强度要求和使用要求的前提下，涡轮质量最轻。
[0030] 本发明中所述ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA)软 件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件提 供功能包括：结构分析、电磁分析、流体动力学分析，设计优化、接触分析、自适应网格划分、 参数设计语言等功能。
【主权项】
1. 粉末注射成形增压器涡轮，它包括轮毂（1)和间隔设置在轮毂上的叶轮（2)，其特 征是：在轮毂上设置有与轮毂同心的中间孔，所述中间孔为彼相连的通孔或相隔的盲孔，所 述轮毂底端设置有环形槽（3 )，所述环形槽与轮毂同心。2. 根据权利要求1所述的粉末注射成形增压器涡轮，其特征是：所述中间孔横截面为 圆形、梅花形或正多边形。3. 根据权利要求1所述的粉末注射成形增压器涡轮，其特征是：所述环形槽横截面为 圆弧形、方形、三角形或是与相对边保持等距离的所形成的异形。4. 一种粉末注射成形增压器涡轮的结构优化设计方法，它包括以下步骤： a、 以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足 强度要求和使用寿命要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的 最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构 的优化数学模型： 目标函数如下，即设计变量：.，约束条件：;式中，M为涡轮质量；震?为涡轮最高转速下的应力集中系数；JT为设计变量；I*为设 计变量的个数；％为涡轮最大等效应力；￡T为涡轮屈服极限强度；#分别为各设计 变量的上下限值； b、 采用方法进行计算得到目标函数值的矩阵I^U，用矩阵k-U建立如下三个线 性方程来求得目标函数的加权因子W、W2和待定常数C，式中，f为目标函数个数、々为目标函数值的矩阵、e为待定常数； c、 建立评价函数如下：Min:式中，z为评价因子；JT是涡轮结构质量M的理想值；JT是最高转速下应力集中系 数尤的理想值；户为指数；分别为各目标函数的加权因子； d、 通过ANSYS求出多组不考虑应力集中系数下的设计变量X，得到涡轮多目标优化解 集，然后，将每组设计变量所对应的M和K代入评价函数中，求出每组设计变量所对应的评 价因子Z; e、 通过ANSYS求出多组设计变量得到涡轮多目标优化解集，解集中含有若干组数据， 每组数据中包含多个设计变量的值，每组数据对应一个M和K， f、 将每组数据所对应M和K代入评价函数中，求出每组数据对应的评价因子Z，从所有 评价因子中选取评价因子最小值作为最优结果Zmin，根据2_选取所对应的设计变量，将该 组设计变量作为最终涡轮结构优化设计各变量结果。
【专利摘要】本发明公开了粉末注射成形增压器涡轮的结构优化设计方法，它以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足强度要求和使用寿命要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构的优化数学模型，本发明采用粉末注射成形工艺，有效去除了精密铸造固有的热裂、缩孔、缩松等缺陷。同时可减少优化过程中的约束条件，可以改变涡轮现有的结构形式，从而最大化地对其进行结构优化，通过该优化设计方法来确定的涡轮各部份尺寸，可在满足涡轮结构强度要求和使用要求的前提下，又能最大量化减轻涡轮质量，实现涡轮的轻量化。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104915500
【申请号】CN201510316180
【发明人】黄若, 曹宁, 白晓松
【申请人】萍乡市慧成精密机电有限公司
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月11日