摘 要

涡轮增压器如今在汽车上被广泛应用，因为涡轮增压器使燃油燃烧得更充分，效率好，降低燃油的消耗与燃油废气的排放，比一般的传统内燃式发动机的燃油燃烧功率高20％到30％左右，对降低燃油消耗有很大的作用。涡轮增压器有好几种：主要是径流式，混流与轴流三种组成，涡轮增压器的结构如以下论述：一般来说是由压气机与涡轮机两部分的组织结构相互联接而组成的，其中，涡轮增压器中叶轮与涡轮轴联接在一起。涡轮增压器的旋转转速非常高，从而能够使压气机叶轮的叶片把大量空气不断的甩向叶轮的外缘，经过这个过程来提高空气速度，压力，直到最后空气进入扩压器。涡轮增压器叶轮的结构相对来说较为复杂而且精密，一般是由铸造，焊接等工艺生产，在本文中，涡轮增压器是由金属增材制造3D打印而来。

涡轮增压器叶轮缺陷主要是叶片的变形，疲劳断裂，涡轮增压器叶轮必须保证其符合工作要求，因为涡轮增压器叶轮一旦因为缺陷而发生故障，不仅会有导致涡轮增压器不能够继续正常的运转工作的严重后果，断裂的叶片还有可能损坏别的部件甚至造成人身伤害。本文中就针对涡轮增压器叶轮叶片的故障进行相控阵超声无损检测。本文主要内容包括：

对涡轮增压器的结构，汽车部件的增材制造的介绍，超声无损检测的国内外发展状况，主要是相控阵超声无损检测，然后介绍了COMSOL软件的相关知识以及用COMSOL软件做出的仿真结果。

关键词：增材制造，相控阵超声无损检测，COMSOL建模仿真。

Abstract

The turbocharger is now widely used in automobiles because the turbocharger makes the fuel burn more fully and efficiently, reducing fuel consumption and fuel exhaust emissions, which is higher than the fuel consumption of a conventional internal combustion engine. % to about 30% has a great effect on reducing fuel consumption. There are several types of turbochargers: mainly runoff, mixed flow and axial flow. The structure of the turbocharger is as follows: Generally, the structure of the compressor and the turbine are connected to each other. Wherein the impeller in the turbocharger is coupled to the turbine shaft. The rotational speed of the turbocharger is so high that the blades of the compressor wheel can continually deflect a large amount of air towards the outer edge of the impeller. This process increases the air velocity and pressure until the air finally enters the diffuser. The structure of the turbocharger impeller is relatively complex and precise, and is generally produced by casting, welding, etc. In this paper, the turbocharger is produced by metal additive manufacturing 3D printing.

Turbocharger impeller defects are mainly blade deformation, fatigue fracture, turbocharger impeller must ensure that it meets the working requirements, because the turbocharger impeller once failed due to defects, not only will the turbocharger fail The serious consequences of continuing normal operation, the broken blades may damage other parts and even cause personal injury. In this paper, phased array ultrasonic nondestructive testing is performed for the failure of turbocharger impeller blades. The main contents of this paper include:

The structure of turbocharger, the introduction of additive manufacturing of automotive parts, the development of ultrasonic nondestructive testing at home and abroad, mainly phased array ultrasonic nondestructive testing, and then introduced the knowledge of COMSOL software and made with COMSOL software. Simulation results.

Key words: additive manufacturing, phased array ultrasonic nondestructive testing, COMSOL modeling and simulation

目 录

目录

Abstract 4

第1章 绪论 6

1.1引言 6

1.2超声无损检测 7

1.2.1相控阵超声无损检测 7

1.2.2相控阵超声无损检测国外研究状况 7

1.2.3相控阵超声无损检测国内研究状况 8

1.3本文研究的主要内容及结构安排 8

1.3.1本文研究的主要内容 8

1.3.2 论文主要结构安排 8

第2章 涡轮增压器叶轮结构及缺陷设计 10

2.1涡轮增压器与涡轮增压器叶轮 10

2.2涡轮增压器叶轮缺陷设计 11

2.3本章小结 12

第3章 相控阵超声无损检测，COMSOL软件 13

3.1相控阵超声无损检测 13

3.1.1相控阵超声无损检测原理 13

3.1.2相控阵的偏转与聚焦 13

3.2 COMSOL软件介绍 16

3.3 本章小结 16

第4章 相控阵超声无损检测的工艺设计 17

4.1定义相控阵超声无损检测的几何模型 17

4.2相控阵超声无损检测的参数设计 18

4.3相控阵超声无损检测的物理场添加 19

4.4相控阵超声无损检测的探针与压力设计 19

4.4相控阵超声无损检测的网格尺寸与时间步设计 20

4.5本章小结 21

第5章 相控阵超声无损检测仿真结果分析 23

5.1结果分析 23

5.1.1聚焦结果分析 23

5.1.2偏转结果分析 25

5.2 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1本文总结 28

6.2研究展望 28

参考文献 30

第1章 绪论

1.1引言

涡轮增压器工作原理：涡轮增压器是一种压缩空气的机器，涡轮增压器在工作的过程中，通过不断的压缩空气来提高空气进气量。它能使发动机燃油燃烧后的废气惯性冲力，来推动涡轮，然后再带动同轴的叶轮，之后叶轮压送的空气再进入到发动机气缸内。当发动机转速开始一步步的增加之后，燃油燃烧产生的废气的排出速度与涡轮增压器涡轮的转速也跟着一步步得增加，最后叶轮就能够逐渐压缩更多的空气进入发动机燃烧室内。发动机燃烧室中空气量的增大可以燃烧更多的燃料，提升燃烧的充分度，所以就能够相应的增加燃料量和调整发动机的转速，经过这些步骤，就可以增大发动机的输出功率。涡轮增压器的分类有好几种，机械增压，废气涡轮增压，混合增压几大类组成。涡轮增压器有很多的优点，其优点如下：增加燃油燃烧的充分度，提高发动机的功率，改善发动机的排放，并且能够提供高原补偿功能，使汽车燃油经济性得到提升，涡轮增压器的可靠性高，匹配特性好，拥有高瞬态响应特性。压气机叶轮是组成涡轮增压器的一个重要部件，结构复杂，生产效率一般，现如今，金属增材制造这门技术正在开始越来越快的发展，像涡轮增压器叶轮这种复杂零件就可以通过金属增材制造打印出来。金属增材技术有很多的别称，例如：快速成型技术，分层制造技术，3D打印技术，自1980年以来，金属增材制造技术开始得到了一步步的深入发展，这一门技术是使用CAD数据，采用需要的材料然后逐渐累加的方法制造实体零件的技术，在各个领域都有广泛应用，如汽车制造，医疗，建筑等。在汽车制造方面的主要技术有：光固化成型技术，激光直接熔化等，能够直接制造部分汽车零件，也可以制作零件的相关模具，总之，金属增材制造技术在汽车行业也有很大的发展，应用越来越广泛。通过金属增材制造生产的涡轮增压器叶轮精度更高，生产效率更高，产品精度更精确，所以金属增材制造技术很适合生产涡轮增压器叶轮这类复杂零件。涡轮增压器叶轮这么一个重要的，结构复杂的零件，对产品的要求比较高，需要对产品进行一系列检测方能投入使用，比如对涡轮增压器叶轮叶片的检测，叶片与柱体连接部位的检测，防止叶片因为断裂而破坏涡轮增压器的正常工作。这就需要用到超声无损检测这门工艺。

超声无损检测技术拥有以下几个特点：第一个是被测对象的规模广，第二个是超声检测的检测深度大；第三个是对缺陷部件的缺陷定位精确，第四个是检测缺陷的时候，它的检测灵敏度高；第五个是成本比较低廉，第六个是使用非常方便；第七个是检测花费的时间短，第八个是对工作人员的身体无毒无害而且方便于现场使用。正因为有如此多的优点，超声无损检测是国内外的检测技术之中，应用范围广、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，其研究方向主要在提升产品的质量、设计、加工与制造、成品的检测以及设备的使用的各个阶段，它的优点体现在确保机器零件的可靠性和安全性上。正好是适合检测涡轮增压器叶轮的一门先进技术。

1.2超声无损检测

1.2.1相控阵超声无损检测

超声波能够实现无损检测的检测原理如下：主要是因为在超声波在介质的传播中，材料的声学特性与组织变化会使超声波传播发生变化，根据反射散射透射，了解是否存在缺陷，发射的超声波在介质得表面处发生反射与折射，在介质中传播一步步衰减，因此，超声波检测被测物体是否存在缺陷时，是使用探头向被检测的物体部件发射超声波，发射之后探头再从结合面（缺陷或本底）处反射回来超声波（反射法）进行接收，或者是透过被检物体部件后的透射波（透射法），通过对超声波回波接收而来的信息，从而能够检测到被测物件内部是否存在缺陷及缺陷的位置，形状等，之后对缺陷进行定位、定性与定量。相控阵超声无损检测跟传统的超声无损检测技术相，优点有很多个，例如：1.电子方法生成的光束是可控的，通过超声波束的偏转与聚焦就可以实现在尽量少移动探头或不移动探头的情况下，对检测部件能够进行全方位，多角度的超声检测，并且相控阵的检测速度更快。2.声束的可达性更强，能够更方便的检测一些复杂的，存在盲区的零件。3.通过特定的电子系统控制的阵元发射的延时可以实现声束的偏转与聚焦，从而控制焦点尺寸，深度等，，提高信噪比以及提高灵敏度，分辨率。4.相控阵超声无损检测的扫查装置不复杂，探头更换少。（快速性，灵活性，可进行复杂检测，阵列探头尺寸小，机械可靠性强，对方向难以辨别的缺陷可检测性强）正因为相控阵超声无损检测有这么多的优点，所以在本次的研究课题中就是采用了相控阵超声无损检测技术来检测涡轮增压器叶轮叶片。

1.2.2相控阵超声无损检测国外研究状况

因为对超声相控阵超声无损检测系统研究得越来越深入，关于相控阵超声无损检测的相关理论也更加的完善，所以这一技术，在新的新型管道全自动超声检测仪逐步进入了实用阶段。例如加拿大公司R/D TECH设计开发的相控阵全自动超声无损检测系统Pipe WIZARD-PA，这个新的相控阵系统可以用同一个探头来检测不同材质管道焊缝，不同壁厚，检测的超声波主声束的偏转角度也可以按主要缺陷的方向来进行设定，采用聚焦声束进行扫查。加拿大 Harfang 公司生产的 X-32 超声相控阵成像探伤系统，适合检测大块的板材，焊缝等。另外Phasor设备也开始投入到了便携式超声相控阵仪器市场。新的Micropulse系统，相控阵性能高，但是跟别的系统比起来比较昂贵。最近这些年以来，相控阵超声无损检测技术得到了飞速发展，动态聚焦，二维阵列，自适应聚焦都已经变成了如今研究的重点。

1.2.3相控阵超声无损检测国内研究状况

国外相控阵超声无损检测技术经过这些年来一代代人的不断发展与探索，已经一步步取得了很多成果，但是目前在国内的话，相控阵还在起步发展阶段，跟国外的差距很大，现在国内主要是对国外进口的相控阵超声设备的超声成像检测研究，自主研究开发的相关理论与技术以及设备都很少，国内相控阵技术，主要是集中在医疗这一方面，工业领域的相控阵超声无损检测技术还有很长的一段路要走。国内的相控阵超声无损检测的相关设备基本都是由国外进口而来，在西气东输的工程中，就试验了加拿大公司R/D TECH开发的相控阵全自动超声无损检测系统Pipe WIZARD-PA。目前我们国家国内的很多机构与单位都逐步开始了相控阵超声无损检测的相关理论研究与应用，例如：中科院，清华大学等。只不过因为相控阵超声无损检测技术在国内的发展起步跟国外比起来很晚，差距比较大，所以，目前国内的相控阵研究还处于实验室理论研究阶段，不能够生产出具有实用意义的相关机器，技术基本靠从国外借鉴，设备主要靠从国外进口，还需要进行深入的研究。目前的发展目标就是逐步跟上国外的研究步伐，是理论知识能够在自己国家生产的设备中得以应用，提升我国的综合国力。

1.3本文研究的主要内容及结构安排

1.3.1本文研究的主要内容

（1）以涡轮增压器叶轮为研究对象了解涡轮增压器叶轮的结构，确定涡轮增压器叶轮无损检测部位，设计叶轮的缺陷。

（2）通过相控阵发射的规律进行理论分析，对涡轮增压器叶轮的缺陷进行相控阵超声无损检测的工艺研究。

（3）通过对相控阵检测工艺的原理，性能，特点的研究，进行相关计算，然后用COMSOL软件进行建模仿真。通过对仿真结果的分析，验证在本次研究中制定的相控阵检测工艺、检测结果以及处理方式的可行性。

1.3.2 论文主要结构安排

第一章：绪论，首先介绍了涡轮增压器在汽车中的应用以及简单的分类，优点之类；其次，介绍了金属增材制造的相关理论知识，增材制造的优点以及在汽车行业的发展前景，之后简单介绍了涡轮增压器叶轮，最后讲解了超声无损检测的工作原理，并且着重介绍了相控阵超声无损检测的国内外发展状况。

第二章：介绍涡轮增压器的结构与叶轮的结构，工作原理，组成，再之后介绍了涡轮增压器叶轮常见的缺陷形式，最后设计了涡轮增压器叶轮的缺陷。

第三章：介绍相控阵超声无损检测工艺的部分相关知识，介绍COMSOL软件。

第四章：通过对参数的相关计算，制定出相控阵超声无损检测来检测涡轮增压器叶轮的工艺设计，如：相控阵探头的设计，COMSOL相关参数的设计，然后完成仿真。最后通过对仿真结果的分析，检验工艺的可行性。

第五章：总结本次研究过程中出现的问题和需要改进的不足，并对本次研究进行展望。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：