HyperWorks幫助BorgWarner實現確定溫度和機械應力對渦輪增壓器共同作用的流程自動化

技術支持

行業：汽車

挑戰：捕捉溫度如何影響機械應力

Altair 解決方案：捕捉溫度如何影響機械應力

優點：更快、更準確；后處理客戶化；在一個環境中聯合多種仿真

背景介紹

BorgWarner是一家資產達56.5億美元的動力總成系統解決方案的全球科技領導者。它在發動機正時系統、增壓系統、點火系統、空氣和噪音管理系統、冷卻系統、傳輸系統和四輪驅動系統上的專長幫助全世界的汽車生產商制造具有更高的燃油經濟性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個關鍵產品是它的渦輪增壓器，由發動機的廢氣驅動的渦輪是用尾氣去驅動一臺壓縮機，從而提高進入發動機的空氣密度，結果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發動機的功率。

挑戰

事實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度產生影響，導致其性能下降、潛在蠕動或渦輪機磨損。當極端波動發生時，渦輪增壓器可能產生過早的熱疲勞導致開裂。

因為渦輪增壓器承受相當大的溫度變化，而設備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機械應力，而且取決于外界溫度。由于受到機械應力和溫度效應相互作用，在確定整個渦輪增壓器的設計時這兩者都必須考慮。

BorgWarner的工程師們已經對渦輪機外殼進行了結構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行預測溫度分布的計算。該公司沒有簡單的方法從應力和溫度兩方面整合數據來獲得一個系統性能的總體預測，因此在特定的位置處熱應力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應力和溫度的組合會導致過早的部件失效。在特定位置處的應力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強度進行比較。對于有非常大的結果文件的有限元模型來說，對比應力水平與在不同溫度的屈服強度是一項非常繁瑣的任務。

“大多數有限元程序只輸出在工程方面的應力而指出這些位置的溫度，” BorgWarner高級CAE分析師ZaneUllman指出，“這些信息都是單獨的、獨立的、沒有聯系的，因此我們被迫需要手動耗費大量時間將數據逐個放在一起。”

“BorgWarner十分希望能夠預測熱應力疲勞問題，Altair的流程自動化技術有效地幫助了我們，使我們可以將更多的時間花在那些無法自動化的工作上。”

ZaneUllman

BorgWarner高級CAE分析師

解決方案

Ullman與Altair仿真專家一起討論解決方案。“我們覺得Altair能夠創建一個自動化流程將應力和溫度結合在一起，并為部件如何加載和其操作環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，編寫了HyperMath腳本，快速、輕松地實現流程自動化。”

對于AltairHyperWorks解決方案中的后處理軟件HyperView，Altair開發了一個由三部分組成的渦輪增壓器的圖示法，首先顯示關鍵的機械應力點，然后顯示部件的溫度云圖，最后顯示當材料強度和溫度的影響結合在一起時的一個代表性的關鍵區域。同時HyperView生成一個曲線圖顯示材料強度隨著溫度升高如何降低。這些標量的應力值詳細給出了渦輪增壓器上正確的真實應力，包括從最低到最高的可能應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境下哪些區域存在最大耐久性風險。

為了開發這個宏,Altair的工程師檢查了200,000個單元上的600,000個節點。BorgWarner能夠使用這個流程來生成曲線圖和圖形(應力、溫度)，以及標量的應力值。所有數據可以在一臺計算機屏幕上顯示。實際上工程師們現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回答潛在的疲勞問題。

結論

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

此外，當設計一個產品或比較產品時，相比以前標量應力值為BorgWarner工程師提供了一個更大的舒適度。“對于以前的設計和新的設計我們可以運行宏去查看改進的設計是更好還是更糟，”Ullman說。

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