涡轮是车用增压器的核心部件之一,服役环境极端复杂,受离心载荷、热载荷和气动载荷的耦合作用,疲劳失效愈加突出。涡轮极端环境下的寿命预测及可靠性评估,已成为当今涡轮增压器安全服役的关键问题。本文以某车用增压器J87星形轮盘涡轮为研究对象,从其材料疲劳特性研究入手,分析其多场耦合下应力分布及主控因素,阐明其振动特性,预测其疲劳寿命,并进行可靠性评估。主要研究内容及结论如下:(1)涡轮材料镍基合金高温-高周疲劳特性及失效机理研究。开展K418镍基合金三种温度(25°C、500°C和900°C)对称循环轴向疲劳试验,揭示其疲劳S-N特性,阐明失效机理。研究表明,K418镍基合金在高周区表现出常规疲劳S-N特性,900°C以下温度对其影响不大,疲劳极限约为227 MPa;失效模式分为内部夹杂、缩孔等诱发失效以及表面缺陷诱发失效,都归为应力集中诱发小平面及解理台阶,萌生小裂纹,晶间弱化使裂纹沿晶扩展,局部产生疲劳条带,当裂纹扩展到临界长度时,发生瞬断。(2)多场耦合工况下涡轮应力响应计算及主控因素研究。对涡轮进行四种工况时不同载荷作用下应力计算分析。研究表明,较高转速时,涡轮在三种载荷作用下最大应力区域出现在涡轮叶根和轮背处,与仅在离心载荷作用下相同,离心载荷起决定性作用,而热载荷和气动载荷影响较小;热载荷使涡轮最大应力增加,而气动载荷使其少量降低;基于喷丸构建载荷修正模型,能有效降低涡轮最大应力。(3)涡轮叶片静/动态固有频率振动特性分析及影响因素研究。基于涡轮叶片前六阶振动分析,研究影响振动特性的因素。研究表明,阶次越大,固有频率越大;不同转速下振型基本一致,而温度对振型几乎没有影响;固有频率随着转速增大而增加,随温度恰好相反;基于共振线图,叶片不发生危险振动的最大转速为93000 r/min。(4)涡轮疲劳寿命预测与疲劳/振动可靠性评估研究。基于位错-能量理论建立涡轮裂纹萌生寿命模型,预测疲劳寿命,根据扩展后应力-强度干涉模型,建立涡轮疲劳及叶片振动时变可靠性模型并确定可靠寿命。研究表明,裂纹长度c=100μm对应的萌生寿命曲线可近似预测涡轮疲劳寿命;随着试验循环增加,涡轮疲劳可靠度和叶片振动可靠度都随之减少,而涡轮疲劳失效率和叶片振动失效率都呈现“浴盆曲线”特征。