公司介紹

    BorgWarner是一家資產(chǎn)達(dá)56.5億美元的動力總成系統(tǒng)解決方案的全球科技領(lǐng)導(dǎo)者。它在發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、空氣和噪音管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和四輪驅(qū)動系統(tǒng)上的專長幫助全世界的汽車生產(chǎn)商制造具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個關(guān)鍵產(chǎn)品是它的渦輪增壓器，由發(fā)動機(jī)的廢氣驅(qū)動的渦輪是用尾氣去驅(qū)動一臺壓縮機(jī)，從而提高進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣密度，結(jié)果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發(fā)動機(jī)的功率。

挑戰(zhàn)

    事實(shí)上渦輪增壓器會受到廢熱氣體的不利影響。熱氣會對渦輪增壓器外殼的材料強(qiáng)度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其性能下降、潛在蠕動或渦輪機(jī)的磨損。當(dāng)極端波動發(fā)生時，渦輪增壓器可能產(chǎn)生過早的熱疲勞導(dǎo)致開裂。

    因?yàn)闇u輪增壓器承受相當(dāng)大的溫度改變，設(shè)備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機(jī)械應(yīng)力，而且取決于外界溫度。由于受到機(jī)械應(yīng)力和溫度效應(yīng)相互作用，在確定整個渦輪增壓器的設(shè)計(jì)時這兩者都必須考慮。

    BorgWarner的工程師們已經(jīng)對渦輪機(jī)外殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析以確定其疲勞壽命。一旦熱廢氣在渦輪增壓器中開始流動就要進(jìn)行預(yù)測溫度分布的計(jì)算。該公司沒有簡單的方法從應(yīng)力和溫度兩方面整合數(shù)據(jù)來獲得一個系統(tǒng)性能的總體預(yù)測，因此在特定的位置處熱應(yīng)力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應(yīng)力和溫度的組合會導(dǎo)致過早的部件失效。在特定位置處的應(yīng)力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較。對于有非常大的結(jié)果文件的有限元模型來說，對比應(yīng)力水平與在不同的溫度的屈服強(qiáng)度是一項(xiàng)非常繁瑣的任務(wù)。

    “大多數(shù)有限元程序只輸出在工程方面的應(yīng)力而指出這些位置的溫度，”BorgWarner高級CAE分析師Zane Ullman指出，“這些信息都是單獨(dú)的、獨(dú)立的、沒有聯(lián)系的，因此我們被迫需要手動耗費(fèi)大量時間將數(shù)據(jù)逐個放在一起。”Ullman想要一種能加快進(jìn)程以消除手動操作致使分析陷入困境的方法。

圖1 有限元模型

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 溫度云圖

圖4 結(jié)構(gòu)分析下高亮的失效區(qū)域

圖5 熱分析下高亮的高溫區(qū)域

圖6 考慮材料溫度依賴效應(yīng)下高亮的失效區(qū)域

解決方案

    Altair公司代表將Ullman工程師與Altair仿真專家聚集在一起。“我們覺得Altair能夠創(chuàng)建一個自動化流程將應(yīng)力和溫度結(jié)合在一起，并為部件如何加載和其操作環(huán)境提供一個更清晰畫面，”Ullman說，“Altair把我們所有的想法整合起來，圍繞著我們的目標(biāo)，編寫了HyperMath腳本，快速、輕松地實(shí)現(xiàn)了流程自動化。”

    對于Altair HyperWorks計(jì)算機(jī)輔助工程解決方案中的后處理軟件HyperView，Altair開發(fā)了一個由三部分組成的渦輪增壓器的圖示法，首先顯示關(guān)鍵的機(jī)械應(yīng)力點(diǎn)，然后顯示部件的溫度云圖，最后顯示當(dāng)材料強(qiáng)度和溫度的影響結(jié)合在一起時的一個代表性的關(guān)鍵區(qū)域。同時HyperView生成一個曲線圖顯示材料強(qiáng)度隨著溫度升高如何降低。這些標(biāo)量的應(yīng)力值詳細(xì)給出了渦輪增壓器上正確的真實(shí)應(yīng)力，包括從最低到最高的可能應(yīng)力和從最低到最高的潛在溫度。自動化的后處理立即顯示出在任何給定的熱環(huán)境下哪些區(qū)域存在最大耐久性風(fēng)險。

    為了開發(fā)這個宏,Altair的工程師檢查了200,000個單元上的600,000個節(jié)點(diǎn)。BorgWarner能夠使用這個流程來生成曲線圖和圖形(應(yīng)力、溫度)，以及標(biāo)量的應(yīng)力值。所有數(shù)據(jù)可以在一臺計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。實(shí)際上工程師們現(xiàn)在有一個定制的模板可以在僅僅幾分鐘或幾秒鐘的時間內(nèi)回答潛在的疲勞問題。

結(jié)論

    HyperView為BorgWarner自動化了一個原先費(fèi)時的流程。“這可能幫助我們減少75%的時間”Ullman說，“我們可以通過反復(fù)運(yùn)行的方式獲得必要的信息允許我們將注意力放到結(jié)果上，而不是簡單地拼湊數(shù)據(jù)和結(jié)果。”

    此外，當(dāng)設(shè)計(jì)一個產(chǎn)品或比較產(chǎn)品時，相比以前標(biāo)量應(yīng)力值為BorgWarner工程師提供了一個更大的舒適度。“對于以前的設(shè)計(jì)和新的設(shè)計(jì)我們可以運(yùn)行宏去查看改進(jìn)的設(shè)計(jì)是更好還是更糟，”Ullman說，“這是一個非常寶貴的中間結(jié)果。”

    BorgWarner現(xiàn)在使用自動化宏來設(shè)計(jì)和評估其渦輪增壓器。Ullman評價道：“它帶來了真正的方便，我們現(xiàn)在都離不開它了。”

    在未來，他提到：“無論什么時候我們有問題需要解決，我們就會想到Altair，因?yàn)槲覀冎�道Altair肯定能給出一些好的解決方法。”

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本文標(biāo)題：Altair幫助BorgWarner實(shí)現(xiàn)確定溫度和機(jī)械應(yīng)力對渦輪增壓器共同作用的流程自動化

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