陳正國 楊小東 褚霞 齊冬亮 張輝
摘要:為探究溫度循環(huán)載荷下排氣凈化器的熱疲勞性能,結(jié)合傳熱分析和靜力學(xué)分析,采用有限元軟件HyperMesh和Abaqus,對某型乘用車排氣凈化器進(jìn)行深入研究,考慮高溫效應(yīng)和材料硬化效應(yīng)的影響,選擇等效塑性應(yīng)變幅值作為評價熱疲勞的關(guān)鍵指標(biāo),分析得到危險點(diǎn)等效塑性應(yīng)變幅值為0.011?7,不滿足熱疲勞耐久要求。對原排氣凈化器的下支架進(jìn)行翻邊處理,得到的新排氣凈化器的等效塑性應(yīng)變幅值最高為0.008?7,滿足熱疲勞耐久要求。
關(guān)鍵詞:排氣凈化器;熱疲勞;傳熱;有限元
中圖分類號:TP391.99;U464.134.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號:1006-0871(2021)03-0044-05
DOI:10.13340/j.cae.2021.03.008
Abstract:To?study?the?thermal?fatigue?performance?of?exhaust?converter?under?temperature?cyclic?load,?an?depth?study?on?an?vehicle?exhaust?converter?is?carried?out?combined?with?heat?transfer?analysis?and?static?analysis?by?finite?element?software?HyperMesh?and?Abaqus.?Considering?the?high?temperature?effect?and?material?hardening?effect,?the?thermal?fatigue?is?evaluated?taking?the?equivalent?plastic?strain?amplitude?as?the?key?index.?It?shows?that?the?equivalent?plastic?strain?amplitude?at?the?dangerous?point?is?0.011?7,?which?does?not?meet?the?requirements?of?thermal?fatigue?durability.?The?lower?support?of?the?original?exhaust?converter?is?flanged,?and?the?maximum?equivalent?plastic?strain?amplitude?of?the?new?exhaust?converter?is?0.008?7,?which?meets?the?requirements?of?thermal?fatigue?durability.
Key?words:exhaust?converter;thermal?fatigue;heat?transfer;finite?element
0?引?言
汽車排氣凈化器承受高溫載荷和劇烈振動,其結(jié)構(gòu)可靠性一直是重要研究領(lǐng)域[1-7]。YOSHIMASA等[3]基于標(biāo)準(zhǔn)試樣,對排氣歧管的熱疲勞性能進(jìn)行初步分析;CHINOUILH等[4]通過實驗測試和有限元分析研究排氣歧管的熱疲勞性能。國內(nèi)學(xué)者董勁等[8]采用2個加熱-冷卻循環(huán)加載進(jìn)行熱機(jī)疲勞分析,并采用第2個循環(huán)的等效應(yīng)變增量評估排氣歧管的熱疲勞性能;李相旺等[9]采用熱應(yīng)力值表征增壓發(fā)動機(jī)排氣熱端的熱疲勞性能;張涵宇等[10]進(jìn)一步利用Manson-Coffin理論預(yù)測高鎳鑄鐵排氣歧管的熱疲勞壽命。
本文借簽已有研究成果,同時考慮高溫因素和材料循環(huán)硬化的影響,采用5個加熱-冷卻循環(huán)進(jìn)行熱機(jī)疲勞分析,采用等效塑性應(yīng)變幅值評價排氣凈化器的熱疲勞性能,對原凈化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化,使其滿足熱疲勞耐久指標(biāo)要求。
1?關(guān)鍵技術(shù)和理論
1.1?凈化器分析建模
凈化器熱疲勞分析模型包括增壓器、進(jìn)氣法蘭、進(jìn)氣蚌殼、筒體、出氣蚌殼、出氣法蘭、中間支架、下支架等結(jié)構(gòu),各子部件支架采用焊接工藝連接在一起,法蘭之間、支架之間采用螺栓連接。
采用有限元軟件HyperMesh生成凈化器有限元網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為105?426個,凈化器網(wǎng)格模型及可能的危險點(diǎn)見圖1。大部分結(jié)構(gòu)(包括蚌殼、筒體、中支架、下支架等)采用四邊形殼體單元,進(jìn)氣法蘭采用六面體實體單元,增壓器采用四面體實體單元。
模型載荷設(shè)置、分析過程設(shè)置采用有限元分析軟件Abaqus完成,包括傳熱分析Heat?Transfer和通用靜力學(xué)分析Static。對增壓器進(jìn)氣法蘭、中支架、下支架的安裝螺栓孔位置進(jìn)行固定約束(見圖1中的三角形標(biāo)識)。
在發(fā)動機(jī)試驗過程中,中支架與筒體的焊接處容易產(chǎn)生裂紋,因此將該區(qū)域作為危險點(diǎn)。
1.2?材料參數(shù)
排氣凈化器采用SUH441不銹鋼材料,該材料具有較好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能,其彈性模量和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線分別見圖2和3。隨著溫度上升,SUH441不銹鋼材料的彈性模量和屈服應(yīng)力都明顯下降:常溫下材料的彈性模量為201?GPa,800?℃時下降到85?GPa;常溫下材料的屈服應(yīng)力為320?MPa,800?℃時下降到23?MPa。
SUH441不銹鋼材料膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線見圖4,800?℃時材料的膨脹系數(shù)為1.3×10-5K-1。SUH441不銹鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線見圖5,800?℃時材料的導(dǎo)熱系數(shù)為34?W/(m·K)。
1.3?材料模型
在循環(huán)載荷作用下,材料存在明顯的硬化效應(yīng),分為隨動硬化和各向同性硬化2種形式。
在隨動硬化狀態(tài)下,材料的屈服面在應(yīng)力空間下的非線性外移效應(yīng)可以表示為
式中:α為背應(yīng)力;σ0為屈服應(yīng)力;p1為等效塑性應(yīng)變;C和γ為材料的硬化參數(shù)。
在各向同性硬化狀態(tài)下,材料的屈服面增長效應(yīng)符合指數(shù)法則,可以表示為
式中:σ|0為初始屈服應(yīng)力;Q∞為材料極限常數(shù);b為材料塑性應(yīng)變常數(shù)。
采用Manson-Coffin公式進(jìn)行材料疲勞壽命和指標(biāo)預(yù)測[11],其理論表達(dá)式為
式中:Δεp1為1次塑性應(yīng)變幅值;Nf為材料疲勞壽命;a和C為材料參數(shù),一般a取值為0.5~1.5,C由材料本身特性決定。
SUH441不銹鋼塑性應(yīng)變幅值Δεp1與疲勞壽命Nf的關(guān)系曲線見圖6。隨著塑性應(yīng)變幅值的增大,疲勞壽命迅速下降。本文取疲勞壽命為3?000次對應(yīng)的塑性應(yīng)變幅值Δεp1作為疲勞強(qiáng)度的評價指標(biāo),Δεp1<0.01。
1.4?加載歷程
首先,進(jìn)行傳熱分析。采用Heat?Transfer完成,輸入溫度為凈化器實際工作過程中的測試結(jié)果。發(fā)動機(jī)臺架測試試驗現(xiàn)場照片見圖7,采集到的排氣溫度曲線見圖8。在發(fā)動機(jī)加速過程中,最高排氣溫度為850?℃。傳熱分析考慮對流和輻射對凈化器表面溫度的影響。
然后,進(jìn)行Static靜力學(xué)分析,輸入?yún)?shù)為第1步分析生產(chǎn)的溫度場。由于材料存在硬化效應(yīng),所以進(jìn)行多次循環(huán)分析獲得穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。試驗采用5個加熱-冷卻循環(huán),其溫度加載歷程及其測試結(jié)果見圖9。
第1個分析步為加熱工況,將凈化器由室溫Troom加熱至最高溫度Tmax;第2個分析步為冷卻工況,將凈化器溫度由最高溫度Tmax降低至室溫Troom:重復(fù)進(jìn)行5個循環(huán),模擬凈化器經(jīng)歷5個加熱-冷卻循環(huán),共10個分析步。Δ
值采用第i個冷卻循環(huán)結(jié)束與第i-2次冷卻循環(huán)結(jié)束2次pl差值除以2的商,后續(xù)研究選擇第10個分析步(第5個冷卻工況)與第8個分析步(第4個冷卻工況)的pl差值除以2的商評價結(jié)構(gòu)的熱疲勞性能。
2?計算結(jié)果與分析
2.1?溫度分析結(jié)果
凈化器溫度分布云圖見圖10。由此可以看出,排氣凈化器進(jìn)氣蚌殼表面溫度約為817?℃,中支架與筒體焊接附近區(qū)域(即危險點(diǎn))溫度約為451?℃,下支架翻邊處溫度約為349?℃。
2.2?應(yīng)變分析結(jié)果
第2個冷卻工況后凈化器的塑性應(yīng)變分布云圖見圖11。支架1與筒體的焊縫附近(即危險點(diǎn))存在失效風(fēng)險,此處等效塑性應(yīng)變pl為0.13。
危險點(diǎn)動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖12。
在第1個加熱過程中,危險點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變按圖12中路徑1(1)—1(2)—1(3)變化,材料發(fā)生明顯塑性變形,表現(xiàn)為壓縮狀態(tài),總應(yīng)變?yōu)?.014,應(yīng)力值為289?MPa。
在第1個冷卻過程中,危險點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變按圖12中路徑1(3)—1(4)—1(5)變化,應(yīng)變值逐步減少為負(fù)值,表現(xiàn)為拉伸狀態(tài),最大應(yīng)變?yōu)?0.007,應(yīng)力值為-406?MPa。
隨著循環(huán)次數(shù)的增加,材料表現(xiàn)出明顯的硬化效應(yīng),應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)向左偏移,應(yīng)變幅值不斷變小,應(yīng)力幅值不斷變大。初始彈性應(yīng)力幅值為282?MPa,第5個循環(huán)的彈性應(yīng)力幅值增至427?MPa。
2.3?等效塑性應(yīng)變幅值Δpl
原凈化器危險點(diǎn)的Δpl隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線見圖13。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,Δpl不斷降低,并趨于穩(wěn)定。選擇第5個冷卻工況的Δpl值作為評價熱疲勞的關(guān)鍵指標(biāo)。
第5個冷卻工況Δpl的分布云圖見圖14,危險點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的高水平區(qū)域,Δpl值為0.012,不滿足熱疲勞耐久指標(biāo)要求(小于0.010),存在熱疲勞失效的風(fēng)險。因此,必須對原凈化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,降低危險點(diǎn)的Δpl水平,提高熱疲勞性能。
2.4?優(yōu)化效果驗證
對原凈化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,考慮中支架在加熱過程中容易扯動筒體,優(yōu)化方案考慮取消中間支架,見圖15。
優(yōu)化方案的Δpl分布云圖見圖16。取消中支架后,最大塑性應(yīng)變區(qū)域轉(zhuǎn)移至下支架翻邊處,其Δpl值為0.008?7,滿足材料熱疲勞耐久指標(biāo)(小于0.01),由此說明該優(yōu)化方案可行。
3?結(jié)束語
結(jié)合傳熱分析和靜力學(xué)分析,對溫度循環(huán)載荷下排氣凈化器的熱疲勞性能進(jìn)行深入研究,考慮材料的硬化效應(yīng),研究載荷循環(huán)次數(shù)對等效塑性應(yīng)變Δpl的影響。研究發(fā)現(xiàn),凈化器危險點(diǎn)的Δpl值為凈化器0.011?7,不滿足熱疲勞要求,存在斷裂風(fēng)險。取消中支架,對原有凈化器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最大塑性應(yīng)變區(qū)域轉(zhuǎn)移至下支架翻邊處,下支架翻邊區(qū)域的Δpl值為0.008?7,滿足熱疲勞耐久指標(biāo)要求。分析結(jié)果為評價凈化器結(jié)構(gòu)熱疲勞性能、解決熱疲勞斷裂問題提供技術(shù)支持。
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(編輯?武曉英)