Оптимизация армирующего слоя компрессорного колеса из композиционного материала турбокомпрессора дизеля

Целью данной работы является поиск оптимальной конфигурации варьируемых параметров армирующего слоя компрессорного колеса из композитного материала. Композитный материал, рассмотренный в данной работе, представляет собой углеродную матрицу, наполненную углеродным волокном. Варьируемыми параметрами являлись: доля волокна в композите, общая толщина армирующего слоя, доля волокна в композите ориентированная в окружном направлении диска. Целевая функция в данном исследовании - запас прочности, колеса. Оптимизация параметров проводилась методом Гаусса-Зейделя. На каждом шаге оптимизации решалась задача теории термоупругости анизотропных сред методом конечных элементов. В ходе исследования установлено, что максимальный запас прочности колеса 1,15 достигается при максимальной доле волокна в композите, толщине армирующего слоя 1,4 мм и доле волокна 0,581 ориентированного в окружном направлении. Деформации колеса с вышеприведенными параметрами остаются на допустимом уровне. По результатам расчетов установлено, что существует возможность повышения уровня технологичности изготовления рабочего колеса за счет перехода к армированию диска только в окружном направлении. При этом снижение общего запаса прочности составит менее 6 %. Исходя из результатов, полученных в ходе процесса оптимизации, следует, что в дальнейшем задачу оптимизации для компонентной базы, рассмотренной в работе можно проводить только относительно доли волокна, ориентированного в окружном направлении. В заключительной части работы также проведен анализ массово-инерционных характеристик рабочего колеса из композита с колесом, выполненным по традиционной технологии. Масса и момент инерции ротора в случае применения колеса из КМ будет снижен на 11 и 18 %, соответственно.

центробежный компрессор, турбокомпрессор, композитный материал, конечно-элементный анализ