重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路強(qiáng)度分析

呂東　陳濤　孟祥光　畢明昕

本文結(jié)合Abaqus和CFD分析軟件，采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法對(duì)某重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行了強(qiáng)度分析方法的研究，通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)應(yīng)力值和位移值等計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，說(shuō)明有限元模型與CFD模型的準(zhǔn)確性良好，流固耦合分析方法比均布載荷計(jì)算更接近實(shí)際工況。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的作用主要是盡可能多地為發(fā)動(dòng)機(jī)提供純凈的空氣，一般包括空氣濾清器和進(jìn)氣管路。發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過(guò)程中會(huì)在進(jìn)氣管內(nèi)形成一定的真空度，使發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)附件完成正常的工作，如果清潔端管道連接處漏氣或者進(jìn)氣管破損，導(dǎo)致未經(jīng)過(guò)濾的空氣漏入進(jìn)氣管并進(jìn)入氣缸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響，使其工作性能下降。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于布置空間有限，進(jìn)氣管路連接管的形狀較復(fù)雜，如圖1所示。本文主要針對(duì)某重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路強(qiáng)度的分析方法進(jìn)行研究，分別采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法進(jìn)行強(qiáng)度與剛度計(jì)算，并將結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，為管道的流固耦合分析提供了理論依據(jù)。

一、進(jìn)氣管路模型

1.真空試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文采用實(shí)車(chē)1：1比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ蛢H為進(jìn)氣管路中間段連接管。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開(kāi)孔進(jìn)行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車(chē)工作極限工況。

2.幾何模型

本文采用實(shí)車(chē)1：1比例仿真模型，如圖1所示?？諝馔ㄟ^(guò)空氣濾清器清潔后經(jīng)過(guò)藍(lán)色管道部分進(jìn)入管路系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)中間段黑色連接管部分后達(dá)到管路出口，通過(guò)增壓器增壓進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.連接管有限元模型

連接管有限元計(jì)算模型如圖2所示。

4.CFD力學(xué)模型及控制方程

在某轉(zhuǎn)速的正常工況下，管道入口平均流速為13.78m/s，Ma=v/c=0.04，馬赫數(shù)較小，認(rèn)為流體密度為常數(shù)；弗勞德數(shù)較小，忽略重力的影響；從入口到出口，整個(gè)過(guò)程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響；由于只關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)在某轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定狀態(tài)的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以流動(dòng)近似穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。基于以上條件，從圖1中可看出進(jìn)氣管路結(jié)構(gòu)形式是不規(guī)則的，氣流在進(jìn)氣系統(tǒng)中以復(fù)雜的湍流形式運(yùn)動(dòng)，對(duì)湍流的處理采用不可壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為半經(jīng)驗(yàn)公式，其中湍流動(dòng)能k方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)將入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口設(shè)置為壓力出口。CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。

二、進(jìn)氣管路仿真分析

本節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行極限工況下的模型真空試驗(yàn)、施加均布載荷強(qiáng)度計(jì)算和采用流固耦合方法的強(qiáng)度計(jì)算，并對(duì)各分析方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.模型真空試驗(yàn)

本文采用實(shí)車(chē)1：1比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)?zāi)Ｐ蛢H為進(jìn)氣管路中問(wèn)段連接管。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開(kāi)孔進(jìn)行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車(chē)工作極限工況。

在自由狀態(tài)下對(duì)管路進(jìn)行真空試驗(yàn)，當(dāng)真空壓力達(dá)到-30KPa時(shí)，測(cè)得連接管進(jìn)氣口側(cè)被吸癟約4.6mm。

2.施加均布載荷強(qiáng)度分析

進(jìn)氣管路均布載荷計(jì)算保持與試驗(yàn)相同的加載條件，載荷工況為管道內(nèi)表面施加-30KPa的均布負(fù)壓。

通過(guò)計(jì)算可以得到進(jìn)氣管路連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖4所示?？梢钥吹?，管道的變形與試驗(yàn)相同，第一危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在支架處，為13.17MPa，第二危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在管道回彎處，為11.05MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.324mm、4.247mm和3.776mm。

3.流固耦合強(qiáng)度分析

極限工況下的強(qiáng)度分析采用流固耦合分析方法，CFD模型的出口壓力設(shè)置為-30KPa，進(jìn)氣口設(shè)置工作工況中的最大流量，計(jì)算工況按照實(shí)際工作工況進(jìn)行設(shè)置。

流固耦合是將CFD軟件STAR CCM+與有限元軟件Abaqus進(jìn)行連接，各自進(jìn)行單增量步的計(jì)算，在耦合面區(qū)域網(wǎng)格處進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后再各自進(jìn)行下一輪的單增量步的計(jì)算，如此循環(huán)至計(jì)算收斂，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交換，此方法能夠很好地解決流體載荷和結(jié)構(gòu)變形之間相互影響的問(wèn)題。

計(jì)算前需對(duì)兩個(gè)軟件進(jìn)行耦合設(shè)置，在A(yíng)baqus中對(duì)有限元模型設(shè)置材料屬性、邊界條件和分析步等，導(dǎo)出inp文件作為耦合輸入文件，在文件命令流的尾端添加耦合命令行，如圖5所示。

在STAR-CCM+中設(shè)置進(jìn)出口參數(shù)、停止標(biāo)準(zhǔn)和傳遞場(chǎng)函數(shù)，導(dǎo)入的場(chǎng)函數(shù)為節(jié)點(diǎn)位移場(chǎng)，導(dǎo)出至Abaqus的場(chǎng)函數(shù)為壓力場(chǎng)，物理模型選擇Co simulation中的Abaqus協(xié)同仿真模塊，并設(shè)置耦合輸入文件路徑與Abaqus執(zhí)行文件路徑，如圖6所示。

通過(guò)計(jì)算可以得到進(jìn)氣管路內(nèi)表面的壓力分布圖、速度流線(xiàn)圖和連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7所示。從速度流線(xiàn)圖可以看到，氣流在彎管處會(huì)形成漩渦，回彎處內(nèi)側(cè)氣流流速大于外側(cè)流速，并且在接近出口處的平直管路呈螺旋狀態(tài)，出口處有局部回流。從壓力分布圖可以看到，中間連接管段在回彎處，由于內(nèi)側(cè)氣流流速比外側(cè)快，所以?xún)?nèi)側(cè)的壓力大于外側(cè)壓力。連接管的變形與試驗(yàn)相同，第一危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在支架處，為13.0NVIPa，第二危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在管道回彎處，為11.01MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.310mm，4.232mm，3.771mm。

三、計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

1.試驗(yàn)與均布載荷仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)數(shù)值與均布載荷仿真計(jì)算的位移結(jié)果對(duì)比如表1所示，以試驗(yàn)值為基準(zhǔn)值，仿真計(jì)算中進(jìn)氣口側(cè)的管道位移偏小7.67%，這是由于加工工藝的缺陷，導(dǎo)致管道在制造過(guò)程中，壁面厚度分布不均，分型面處偏厚，中間壁面偏薄，而有限元模型的壁面分布均勻，因此在相同壓力作用下，有限元模型的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)位移值偏小。

2.流固耦合計(jì)算結(jié)果討論

CFD仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于其可以模擬并可以直觀(guān)地看到氣流在管道內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，可以很好地模擬出沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現(xiàn)象，同時(shí)也可以模擬流體的速度變化和管道內(nèi)表面的壓力變化。

流固耦合是一種結(jié)合CFD仿真和靜力強(qiáng)度仿真的分析方法，在每個(gè)分析步內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)在氣流壓力作用下變形，而流場(chǎng)又直接受到結(jié)構(gòu)變化的影響，因此采用流固耦合方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的強(qiáng)度分析更加接近實(shí)際工況，而且得到的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確和精確。

流固耦合計(jì)算與均布載荷計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如表2所示，以均布載荷計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)值，可以看到，兩種分析方法的計(jì)算結(jié)果非常相近，對(duì)比值均在1%以?xún)?nèi)，且流固耦合方法結(jié)果偏小。本文研究的管道模型變形量較小，因此流固耦合方法的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有產(chǎn)生太大變化。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）本文聯(lián)合Abaqus和CFD分析軟件，針對(duì)某重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行了強(qiáng)度分析方法的研究，主要進(jìn)行了極限工況下模型真空試驗(yàn)、施加均布載荷強(qiáng)度分析和流固耦合分析，通過(guò)對(duì)強(qiáng)度與剛度計(jì)算結(jié)果分析研究各計(jì)算方法的特點(diǎn)及優(yōu)劣性。

（2）通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析顯示，在極限工況下，仿真結(jié)果較試驗(yàn)值偏小，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖诩庸すに嚾毕莺腿藶樵囼?yàn)誤差，而仿真模型更加理想化，故仿真強(qiáng)度分析可作為模擬臺(tái)架試驗(yàn)的手段。

（3）流固耦合分析方法結(jié)合Abaqus和CFD軟件，能夠模擬并直觀(guān)地觀(guān)察氣流在管道內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，模擬氣流的沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現(xiàn)象和流體的速度變化以及管道內(nèi)表面的壓力變化，同時(shí)在每個(gè)分析步內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)在氣流壓力作用下變形，而流場(chǎng)又直接受到結(jié)構(gòu)變化的影響，相比于均布載荷分析更接近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的實(shí)際工作工況，得到的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確和精確。

（4）流固耦合分析方法可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路強(qiáng)度分析的一種重要手段。