基于ABAQUS的發(fā)動機排氣歧管低周疲勞分析

代興偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

基于ABAQUS的發(fā)動機排氣歧管低周疲勞分析

代興偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，排氣歧管溫度會產(chǎn)生周期變化，會導致排氣歧管發(fā)生低周疲勞破壞，文章基于ABAQUS對某發(fā)動機的排氣歧管進行低周疲勞分析，研究排氣歧管的低周疲勞壽命。

排氣歧管；低周疲勞；ABAQUS軟件

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-120-02

隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，以及排放法規(guī)、油耗法規(guī)的加嚴，排氣歧管的設計已經(jīng)開始集成在缸蓋上，不僅可以降低油耗以及排放，而且由于缸蓋水套冷卻的原因，排氣歧管部分的溫度會有一定程度的降低，但由于材料一般為鋁合金材料，強度也有一定的下降，因此還是有必要對排氣歧管部位的低周疲勞性能進行評估，本文基于ABAQUS軟件，對某發(fā)動機的排氣歧管部分進行低周疲勞分析，計算低周疲勞壽命。

1 有限元模型及邊界條件

由于是排氣歧管集成在缸蓋上，因此排氣歧管低周疲勞分析模型包括以下部件：缸體、缸蓋（集成排氣歧管）、缸墊、缸蓋螺栓、增壓器蝸殼以及蝸殼螺栓等。使用Hypermesh對模型進行網(wǎng)格劃分，單元類型缸墊采用GK3D12MN，其余采用C3D10M。有限元模型如圖1所示。溫度場分析需要CFD分析提供熱邊界，主要包括全速全負荷工況和怠速工況下的氣體的溫度及換熱系數(shù)，部位有燃燒室、近排氣道、缸體缸蓋水套以及缸套，全速全負荷工況燃燒室部位的溫度及換熱系數(shù)如圖2、3所示，其他部位不一一列出。

圖1 有限元模型

圖2 燃燒室部位溫度

圖3 燃燒室部位換熱系數(shù)

2 溫度場分析

溫度場分析低周循環(huán)工況如圖4所示，進行瞬態(tài)分析，共進行五個循環(huán)，第一循環(huán)從室溫到全速全負荷，然后下降到怠速工況，后四個循環(huán)重復從怠速工況到全負荷工況，再到怠速工況。第五個循環(huán)時全速全負荷工況溫度場如圖5所示。

圖4 溫度循環(huán)工況

圖5 全速全負荷工況溫度場

3 應力應變分析

應力應變分析循環(huán)如圖6所示，由于排氣歧管低周分析主要考慮溫度的影響，因此應力循環(huán)與溫度循環(huán)基本一致，即分析溫度循環(huán)狀態(tài)下的應力應變變化，同樣分為五個循環(huán)，前兩個循環(huán)為初始循環(huán)，此循環(huán)應力應變狀態(tài)沒有穩(wěn)定，在第三個循環(huán)全速全負荷工況時保持30小時，主要是為了考慮材料的蠕變特性，后兩個循環(huán)為穩(wěn)定循環(huán)，此時部件的應力應變基本趨于穩(wěn)定，使用第五個循環(huán)進行低周疲勞壽命分析。

圖6 應力應變循環(huán)工況

4 低周壽命分析結果

排氣歧管低周疲勞壽命如圖7所示，可以看出排氣歧管外表面的低周疲勞安全系數(shù)均在4.5以上，圖8為某一截面的安全系數(shù)分布，最小安全系數(shù)為4.5，整體模型不存在風險。

圖7 排氣歧管低周疲勞安全系數(shù)

圖8 某截面安全系數(shù)分布

5 結論

通過有限元的方法計算瞬態(tài)溫度場分析，得到怠速工況到全速全負荷工況過程的溫度場分布，并基于溫度結果進行應力應變分析，分析中考慮了材料的蠕變特性，使用最后的穩(wěn)定循環(huán)進行低周疲勞分析，結果顯示壽命較高，不存在風險。

[1] Surech,S.Fatigue of Materials[M].國防工業(yè)出版社,1993,389-404.

[2] 聶宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基礎[J].航空學報,1993,14（5）:310-312.

[3] 趙帥帥,陳永祥等.基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗設計與評估[J].強度與環(huán)境,2013,40（4）:52-58.

The Exhaust manifold LCF Analysis Based on ABAQUS

Dai Xingwei
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

During engine operation, the exhaust manifold temperature will produce periodic changes. This will cause the exhaust manifold occurrence of low cycle fatigue damage. The low cycle fatigue analysis of exhaust manifold will be carried out based on software abaqus in this paper. And to search the low cycle fatigue life of the exhaust manifold.

Exhaust manifold; Low cycle fatigue; ABAQUS software

U463.6

A

1671-7988 (2017)15-120-02

代興偉，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.044