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涡轮增压器是车用发动机实现功率密度提升和节能减排的核心部件之一，为满足日益严苛的法规和进一步的性能提升而对发动机进行的深入研究，增压器的优化改进是重要的环节。包含涡壳、废气旁通阀、涡轮在内的涡轮端结构，其能否持续可靠工作是衡量涡轮增压器耐久性的重要判据之一。在为保证气动性能而不可避免的复杂几何结构设计、工作时不断承受热机负荷以及材料本身性质等多方面的条件约束下，涡轮端结构极易发生热破坏。热应力过大造成的塑性应变值是引起热机械疲劳的主要失效机制，因此热应力研究是当前涡轮端结构设计的重要工作，而热应力计算要以准确获取涡轮端温度场分布为前提，通过研究涡轮端结构的温度场分布和应力应变分布可及时有效地发现结构中可能发生热裂纹的部位，对涡轮端结构的设计和优化具有重要意义。
本文以某款涡轮增压器涡轮端结构为研究对象，采用台架试验与仿真模拟计算相结合的方法，在获取涡轮端温度场和应力应变场的基础上，对原有结构中存在的风险位置进行了优化。具体研究内容和结果如下：
1)利用三维建模软件UG建立了该款涡轮增压器整机三维模型，采用布尔求差的方式提取涡轮端流体域，分别对涡轮端固体域和流体域进行网格划分，将网格模型导入ANSYSWorkbench中搭建的流-热-固耦合仿真计算平台，求解获取涡轮端温度场分布，并探究不同热边界条件设置对其影响。结果表明，壁面绝热的边界条件会给涡轮端温度场计算引入较大误差，低转速工况下，涡轮出口温度计算值与试验值偏差可达23℃。随着转速升高，不同热边界条件的设置对仿真计算的影响逐渐减小。在整个运行范围内，基于全部壁面共轭传热边界条件的模型计算结果符合试验台架实测结果，准确性高，为开展涡轮端热应力和应变场计算提供准确的温度热载荷。
2)将1)中计算得到的涡轮端温度场作为热载荷加载到耦合仿真计算平台中涡轮端有限元结构强度分析模块，同时根据试验台架安装情况施加边界约束条件，求解涡轮端的热应力和应变场。探究了气动载荷、重力载荷和热载荷不同类型的载荷对涡轮端整体受力的影响。结果表明，热载荷在涡轮端整体受力中占主导地位。等效塑性应变场分布结果显示，110000r/min工况下，涡轮端在与中间体连接端面和废气旁通阀凸台两处的塑性应变分别为1.3%~1.87%，0.8%~1.6%，超过了工程设计可接受范围，存在热裂纹的风险。
3)利用图形化编程语言Labview搭建了温度与应变数据采集系统，在涡轮增压器热吹试验台架上开展涡轮端温度场与应变场的试验研究，试验结果验证了涡轮端流-热-固耦合数值模拟计算结果的准确性。探究了进气参数(进气温度、进气流量)对涡轮端温度和变形的影响，结果表明两者受进气温度的影响大，呈明显的正相关性。
4)在确定风险位置的结构设计参数的基础上，通过最优拉丁超立方布点设计方案，确定试验仿真样本点个数。运用1)中搭建的流-热-固耦合仿真计算平台进行仿真试验，得出试验样本点仿真结果。运用径向基函数通过插值的方法对试验样本点仿真结果进行处理，获取涡轮端结构全因子响应面，通过非支配排序遗传算法用来进行全局寻优计算，最终得到涡轮端结构优化方案。仿真试验结果表明，原有涡轮端结构的两处风险位置(与中间体的连接端面和旁通阀凸台)经优化改进后，最大等效塑性应变分别降低了33.7%和44.3%。
本文以某款涡轮增压器涡轮端结构为研究对象，采用台架试验与仿真模拟计算相结合的方法，在获取涡轮端温度场和应力应变场的基础上，对原有结构中存在的风险位置进行了优化。具体研究内容和结果如下：
1)利用三维建模软件UG建立了该款涡轮增压器整机三维模型，采用布尔求差的方式提取涡轮端流体域，分别对涡轮端固体域和流体域进行网格划分，将网格模型导入ANSYSWorkbench中搭建的流-热-固耦合仿真计算平台，求解获取涡轮端温度场分布，并探究不同热边界条件设置对其影响。结果表明，壁面绝热的边界条件会给涡轮端温度场计算引入较大误差，低转速工况下，涡轮出口温度计算值与试验值偏差可达23℃。随着转速升高，不同热边界条件的设置对仿真计算的影响逐渐减小。在整个运行范围内，基于全部壁面共轭传热边界条件的模型计算结果符合试验台架实测结果，准确性高，为开展涡轮端热应力和应变场计算提供准确的温度热载荷。
2)将1)中计算得到的涡轮端温度场作为热载荷加载到耦合仿真计算平台中涡轮端有限元结构强度分析模块，同时根据试验台架安装情况施加边界约束条件，求解涡轮端的热应力和应变场。探究了气动载荷、重力载荷和热载荷不同类型的载荷对涡轮端整体受力的影响。结果表明，热载荷在涡轮端整体受力中占主导地位。等效塑性应变场分布结果显示，110000r/min工况下，涡轮端在与中间体连接端面和废气旁通阀凸台两处的塑性应变分别为1.3%~1.87%，0.8%~1.6%，超过了工程设计可接受范围，存在热裂纹的风险。
3)利用图形化编程语言Labview搭建了温度与应变数据采集系统，在涡轮增压器热吹试验台架上开展涡轮端温度场与应变场的试验研究，试验结果验证了涡轮端流-热-固耦合数值模拟计算结果的准确性。探究了进气参数(进气温度、进气流量)对涡轮端温度和变形的影响，结果表明两者受进气温度的影响大，呈明显的正相关性。
4)在确定风险位置的结构设计参数的基础上，通过最优拉丁超立方布点设计方案，确定试验仿真样本点个数。运用1)中搭建的流-热-固耦合仿真计算平台进行仿真试验，得出试验样本点仿真结果。运用径向基函数通过插值的方法对试验样本点仿真结果进行处理，获取涡轮端结构全因子响应面，通过非支配排序遗传算法用来进行全局寻优计算，最终得到涡轮端结构优化方案。仿真试验结果表明，原有涡轮端结构的两处风险位置(与中间体的连接端面和旁通阀凸台)经优化改进后，最大等效塑性应变分别降低了33.7%和44.3%。