基于流固耦合分析某排氣歧管疲勞損傷

楊 超，鄭清平

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

排氣歧管直接與汽缸體相連接，其排氣口與排氣總管連接，是排氣系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和排氣系統(tǒng)其他部件的連接中樞，其結(jié)構(gòu)以及性能直接影響著整個(gè)排氣系統(tǒng)的性能［1］。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，排氣溫度越來(lái)越高，造成排氣歧管的熱負(fù)荷越來(lái)越接近其承受極限［2］。一般情況下，排氣歧管的疲勞損傷有多種因素(如熱負(fù)荷、振動(dòng)負(fù)荷、氣流沖擊、材料性能變化等)相互影響、耦合導(dǎo)致。

本文通過(guò)運(yùn)用AVL-Fire和ABAQUS軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管模型進(jìn)行有限元分析流固耦合計(jì)算模型，分析排氣歧管溫度場(chǎng)及應(yīng)力與應(yīng)變場(chǎng)。分析試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管疲勞斷裂的原因。

1 排氣歧管開(kāi)裂問(wèn)題

圖1 試驗(yàn)測(cè)試中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的開(kāi)裂問(wèn)題Fig.1 Cracking problem of engine exhaust manifold in test test

本次研究的某六缸在可靠性試驗(yàn)中全負(fù)荷工況試驗(yàn)950h出現(xiàn)裂紋，裂紋位置位于與四缸、五缸相連接的歧管的連接處，如圖1中箭頭位置所示。

2 耦合溫度場(chǎng)分析

為獲得排氣歧管流固耦合溫度場(chǎng)與對(duì)流換熱系數(shù)，通過(guò)建立CFD模型仿真獲取管內(nèi)流場(chǎng)，并通過(guò)平均一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)管壁溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，獲取歧管的對(duì)流換熱系數(shù)場(chǎng)。

圖2 排氣歧管模型Fig.2 Exhaust manifold model

排氣歧管模型如圖2所示，通過(guò)獲取歧管內(nèi)表面并劃分網(wǎng)格如圖3所示。進(jìn)出口邊界發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程分析軟件BOOST計(jì)算出額定工況2500r/min下的排氣歧管進(jìn)出口邊界溫度、質(zhì)量流量。三維流場(chǎng)計(jì)算湍流模型選擇k-ε模型，邊界選擇ThinWall邊界。對(duì)第四個(gè)工作循環(huán)的溫度場(chǎng)和對(duì)流換熱系數(shù)場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間平均，如圖3、4所示。

圖3 額定工況發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管壁面受熱平均溫度場(chǎng)Fig.3 Rated working condition of engine exhaust manifold wall heating average temperature field

圖4 額定工況發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管壁面換熱平均對(duì)流換熱系數(shù)場(chǎng)Fig.4 The average convective heat transfer coefficient field of the exhaust manifold of the engine under rated condition

3 排氣歧管熱應(yīng)力分析

3.1 排氣歧管熱分析理論［4］

溫度場(chǎng)控制方程等效的積分形式［3］：

為熱通量的面積；S3為對(duì)流面積。

3.2 模型建立

將排氣歧管模型導(dǎo)入ABAQUS中并選取C3D4T四結(jié)點(diǎn)熱耦合四面體單元。將模型離散化為熱耦合單元，劃分69519個(gè)節(jié)點(diǎn)，295686個(gè)四面體網(wǎng)格。研究對(duì)象材料為SiMo45鑄鐵。

對(duì)排氣歧管添加邊界條件，利用笛卡爾連接表示固定螺栓對(duì)法蘭的固定，邊界約束的位置約束各點(diǎn)的全部自由度。

應(yīng)用FIRE中仿真獲得的溫度場(chǎng)合對(duì)流換熱系數(shù)場(chǎng)作為熱邊界，進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)600s的流固耦合分析可以獲得排氣歧管穩(wěn)定的溫度場(chǎng)及應(yīng)力、應(yīng)變分布。

3.3 溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)流固耦合分析，排氣歧管穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度場(chǎng)如圖5所示，溫度場(chǎng)分布受管內(nèi)壁溫度場(chǎng)影響，管壁存在內(nèi)部熱傳導(dǎo)，對(duì)排氣歧管溫度場(chǎng)存在明顯影響。

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下,排氣歧管溫度穩(wěn)定后的平均有效應(yīng)力場(chǎng)如圖6所示。排氣歧管各管管壁存在溫度梯度，且存在內(nèi)外表面的溫度梯度產(chǎn)生熱膨脹及熱應(yīng)力，應(yīng)力分布和受熱有一定關(guān)聯(lián)，同時(shí)受邊界約束條件影響也較為明顯。排氣歧管受到應(yīng)力最大處為歧管4與歧管5的連接處，肋部有兩個(gè)最大應(yīng)力點(diǎn)，標(biāo)注為點(diǎn)A與點(diǎn)B，與發(fā)生開(kāi)裂故障的位置一致，其大小約為472MPa。

圖5 排氣歧管溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of exhaust manifold

圖6 排氣歧管應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.6 Stress field distribution of exhaust manifold

4 排氣歧管熱疲勞分析

4.1 低周期熱疲勞理論［5,6］

熱疲勞屬于高應(yīng)變低周期疲勞，確定了材料所受的應(yīng)變和溫度循環(huán)，知道應(yīng)變?cè)黾拥挠绊憰r(shí),可以計(jì)算出材料的壽命（M-C公式）。對(duì)于熱疲勞試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，每一循環(huán)的塑性應(yīng)變△εр。直接影響斷裂循環(huán)數(shù)的Nf，其關(guān)系式可以表達(dá)為：△εp·N=C

其中：Nf為材料到達(dá)疲勞斷裂時(shí)的循環(huán)次，或成為疲勞壽命；△εр為循環(huán)塑性應(yīng)變范圍；α為材料的塑性指數(shù)；c這為常數(shù)，其數(shù)值溫度影響較大，隨平均溫度的升高而減小。

4.2 排氣歧管疲勞分析

圖7 排氣歧管發(fā)生的等效塑性應(yīng)變Fig.7 Equivalent plastic strain of exhaust manifold

為研究開(kāi)裂故障發(fā)生原因，考察A、B兩點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變模型中的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，由于只有A、B兩點(diǎn)處發(fā)生等效塑性應(yīng)變，所以具體考察發(fā)生斷裂處的等效塑性應(yīng)變。其中A點(diǎn)等效塑性應(yīng)變大小為0.0012mm，B點(diǎn)等效塑性應(yīng)變大小為0.00087mm。

本文研究硅錳鑄鐵鑄造的排氣歧管，參考相關(guān)文獻(xiàn)α取0.6，C取0.19［6］。所以A點(diǎn)疲勞壽命循環(huán)次數(shù)Nf=4634；B點(diǎn)疲勞壽命循環(huán)次數(shù)Nf=7920。

5 結(jié)論

a.通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管進(jìn)行流固耦合分析，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管溫度分布，由管內(nèi)流場(chǎng)對(duì)流換熱決定，并受排氣歧管壁面導(dǎo)熱作用共同影響。

b.排氣歧管平均有效應(yīng)力大小與分布受排氣歧管溫度分布影響，同時(shí)取決于排氣歧管結(jié)構(gòu)和邊界約束條件。在集中應(yīng)力的作用下導(dǎo)致排氣歧管開(kāi)裂故障。

c.應(yīng)用低周期熱疲勞理論，通過(guò)獲取排氣歧管的等效塑性應(yīng)變，利用M-C公式可以計(jì)算出排氣歧管發(fā)生開(kāi)裂故障位置的集中等效塑性應(yīng)變點(diǎn)的疲勞壽命分別為循環(huán)數(shù)4634和7920。

［1］ 楊勇.基于呼吸系統(tǒng)的排氣歧管設(shè)計(jì)及有限元分析［D］.西安：西安理工大學(xué)，2010.

［2］ 王虎.內(nèi)燃機(jī)零部件熱負(fù)荷研究的現(xiàn)狀討論與展望［J］.內(nèi)燃機(jī)，2005，（06）：4-5.

［3］ 平修二.熱應(yīng)力與熱疲勞：基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)〔M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

［4］ 劉展，祖景平，錢英莉.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.中國(guó)水利水電出版社，2008.

［5］ 王立新,劉斐,潘雪偉.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管斷裂分析及其設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.上海汽車，2007，（12）：87-88.

［6］ 趙少汁，王忠保.疲勞設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.