基于Fluent與ABAQUS的排氣歧管溫度場及熱應(yīng)力分析

霍小臭，潘效龍

(濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261000)

0 引言

排氣歧管直接與氣缸體相連，是發(fā)動機排出的高溫廢氣最先通過的部件。由于高溫和溫度分布而產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會造成排氣歧管出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致漏氣，使發(fā)動機出現(xiàn)故障，影響發(fā)動機的排放性能。對于渦輪增壓機型，還會導(dǎo)致發(fā)動機的動力性能降低[1-2]。采用流固耦合的方法，可以較為準確地預(yù)測零部件由于流動換熱和導(dǎo)熱產(chǎn)生的溫度分布，從而計算零部件內(nèi)部存在的熱應(yīng)力。在發(fā)動機排氣歧管的設(shè)計開發(fā)中，對排氣歧管的流場和熱應(yīng)力進行分析，可以預(yù)測排氣歧管在工作過程中可能出現(xiàn)的問題，并為后續(xù)的設(shè)計和改良提供參考[3]。

本文作者采用CFD分析軟件Fluent計算了排氣歧管的內(nèi)流場、溫度分布和對流換熱系數(shù)，通過映射數(shù)據(jù)將計算結(jié)果導(dǎo)入Abaqus進行溫度場及熱應(yīng)力計算，為后續(xù)排氣歧管的設(shè)計開發(fā)提供參考。

1 排氣歧管內(nèi)流場計算

1.1 分析模型及網(wǎng)格

模型采用某四缸十六氣門增壓中冷柴油發(fā)動機，利用Hypermesh導(dǎo)入模型，提取排氣歧管內(nèi)流道，進行網(wǎng)格劃分，排氣歧管內(nèi)流場計算網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格總數(shù)為27.9萬，網(wǎng)格尺寸為3 mm，內(nèi)流道近壁面處設(shè)置3層邊界層，邊界層網(wǎng)格尺寸為0.8 mm。

圖1 排氣歧管內(nèi)流道網(wǎng)格模型

排氣歧管氣體流動換熱計算采用的邊界條件來源于一維熱力學(xué)計算，在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min的超負荷工況下排氣歧管出口氣體溫度的質(zhì)量加權(quán)平均值為962 K，一個工作循環(huán)中，曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的排氣歧管入口、出口和EGR取氣口的溫度和質(zhì)量流量變化曲線如圖2所示。

圖2 流場計算邊界條件

1.2 計算結(jié)果

內(nèi)流場計算采用瞬態(tài)計算，在Fluent軟件中，將圖2中的邊界條件以Profile文件的形式導(dǎo)入，從而實現(xiàn)各進出口邊界的溫度、流量隨時間變化。共計算6個工作循環(huán)，即曲軸轉(zhuǎn)角從0°～4 320°，前5個循環(huán)用于使計算收斂，從最后一個循環(huán)取時均值，得到的流場用于后續(xù)步驟的計算。湍流模型采用標準k-ε方程，壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù)，時間項采用一階隱式格式離散，壓力與速度耦合使用SIMPLE算法。最終獲得的排氣歧管內(nèi)流道的溫度及換熱系數(shù)如圖3所示，最高溫度出現(xiàn)在出口和EGR取氣口處，即各進氣口的交匯處。將結(jié)果以ASCII格式導(dǎo)出，經(jīng)過單位變換后，用于接下來的Abaqus分析。

圖3 排氣歧管內(nèi)流場計算結(jié)果

2 排氣歧管溫度場及熱應(yīng)力計算

2.1 排氣歧管溫度場計算

溫度場計算的分析模型包括排氣歧管和部分氣缸蓋、EGR取氣口、渦輪，排氣歧管內(nèi)壁網(wǎng)格與內(nèi)流場計算的壁面網(wǎng)格完全一致，其余網(wǎng)格尺寸為5～7 mm，排氣歧管的單元類型為C3D10，螺栓及墊片的單元類型為C3D6，其余為C3D4，網(wǎng)格總數(shù)約51萬個，網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 熱應(yīng)力計算模型及網(wǎng)格

將Fluent計算中得到的排氣歧管內(nèi)流場通過ASCII格式的映射數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus，排氣歧管、渦輪、EGR取氣口外壁采用對流換熱條件，環(huán)境溫度為348 K，對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)，排氣歧管材料采用ZG230-450，加載螺栓預(yù)緊力為30 N·m，螺栓螺紋與氣缸蓋螺孔螺紋創(chuàng)建綁定，其余接觸面均為摩擦接觸。計算得到的排氣歧管溫度如圖5所示，由圖可知，最高溫出現(xiàn)在出口處附近，約為790 ℃，低于鑄鋼可承受溫度850～900 ℃[4]。保存計算結(jié)果，供最終的熱應(yīng)力計算使用。

圖5 排氣歧管溫度分布

2.2 排氣歧管熱應(yīng)力計算

排氣歧管內(nèi)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部分受熱程度不同，存在較為明顯的溫度分布，內(nèi)流道壁面直接與高溫廢氣接觸，溫度較高；而外表面與空氣接觸，溫度相對較低；由于外在約束和各部分間的相互約束，無法自由膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力[5]。文中計算了只有溫度場作用時排氣歧管的熱應(yīng)力。將溫度場計算的結(jié)果作為邊界條件，計算排氣歧管在溫度場作用下的熱應(yīng)力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 排氣歧管應(yīng)力分布

由圖可見，在螺栓孔附近仍有應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力已經(jīng)超出材料的屈服極限，因此，在發(fā)動機超負荷運行時，排氣歧管的該部位可能出現(xiàn)開裂失效，需要進行加強[6]。

3 結(jié)論

(1)使用Fluent軟件對排氣歧管的內(nèi)流場進行了瞬態(tài)計算，并通過ASCII格式的映射數(shù)據(jù)實現(xiàn)了與Abaqus的耦合，同時對排氣歧管的溫度場引起的熱應(yīng)力進行了預(yù)測；

(2)通過計算，最高溫出現(xiàn)在出口處附近，約為790 ℃，低于鑄鋼可承受溫度850～900 ℃，滿足要求。

(3)通過對排氣歧管在溫度場作用下熱應(yīng)力的計算，發(fā)現(xiàn)在螺栓孔附近仍有應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力已經(jīng)超出材料的屈服極限，可能存在開裂失效風險。