排氣歧管總成熱應(yīng)力分析及溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

陳純，馬力，鄧基峰，田哲文，李建華

（1.武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北武漢 430070;2.東風(fēng)商品研發(fā)院發(fā)動(dòng)機(jī)部，湖北武漢 430056）

排氣歧管總成是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的重要組成部件，它承受高溫和機(jī)械振動(dòng)，工作環(huán)境十分惡劣［1］。某企業(yè)開(kāi)發(fā)了一款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，排氣歧管總成出現(xiàn)了局部開(kāi)裂現(xiàn)象。這通常與發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷、排氣歧管總成的熱應(yīng)力以及振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。文中從熱負(fù)荷入手研究了排氣歧管總成熱應(yīng)力對(duì)其開(kāi)裂造成的影響問(wèn)題，提出了簡(jiǎn)化計(jì)算的方法和過(guò)程，首先用GT-power軟件計(jì)算排氣歧管入口處的流量和溫度，用CFX軟件分析排氣歧管總成的內(nèi)流場(chǎng)的溫度分布，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出排氣歧管總成的溫度分布并研究了試驗(yàn)方案，進(jìn)行了溫度場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。然后計(jì)算了排氣歧管總成的熱應(yīng)力，為分析排氣歧管總成的局部開(kāi)裂原因提供了有效參考。

1 排氣歧管入口參數(shù)計(jì)算

排氣歧管總成由排氣歧管1和排氣接管2兩部分組成，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣歧管4個(gè)入口通過(guò)螺栓連接在缸體上，其中的入口3螺栓為定位孔，其他3個(gè)入口的螺栓孔為腰子孔，可以吸收熱變形。排氣接管通過(guò)支座3用螺栓連接在缸體上，出口1與渦輪增壓相連接。排氣歧管總成局部開(kāi)裂位置為圖中的A處。

要進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，首先必須知道排氣歧管入口流量和溫度，用來(lái)計(jì)算排氣歧管總成內(nèi)流場(chǎng)入口邊界條件，它主要反映了排氣歧管總成的熱負(fù)荷，既與發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和工況有關(guān)，又與發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，比如進(jìn)、出氣管的長(zhǎng)度，氣缸的內(nèi)徑，連桿的長(zhǎng)度等。

文中采用一維仿真軟件GT-power建立了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型，并根據(jù)企業(yè)提供的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)要求及方案選取發(fā)動(dòng)機(jī)的工況為3 600 r/min，空燃比取18，計(jì)算得到排氣歧管4個(gè)入口處的流量和溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)，曲軸轉(zhuǎn)角范圍為－180°～540°。第一入口的流量曲線(xiàn)如圖2所示，溫度曲線(xiàn)如圖3所示，由圖可知一個(gè)工作周期內(nèi)入口處的溫度約在870～1 160 K之間變化，流量約在0～0.12 kg/s之間變化。其他幾個(gè)入口的流量和溫度變化趨勢(shì)和數(shù)值與之類(lèi)似。

2 內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算

得到的各入口的流量曲線(xiàn)和溫度曲線(xiàn)后，即可將其作為內(nèi)流場(chǎng)的入口邊界條件進(jìn)行歧管總成內(nèi)壁溫度場(chǎng)的計(jì)算。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作時(shí)，排出的廢氣的溫度、速度和壓力變化較小，因此可以對(duì)排氣歧管總成的溫度場(chǎng)作穩(wěn)態(tài)研究［2］。

運(yùn)用Pro/E軟件建立排氣歧管總成的內(nèi)流場(chǎng)模型，將模型導(dǎo)入ANSYS CFX軟件進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算。將內(nèi)流場(chǎng)模型離散后得到了202 715個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格圖如圖4所示。

內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)模式，設(shè)置初始溫度為25℃，初始?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，湍流模型選用k-ε模型。進(jìn)口位置為排氣歧管4個(gè)入口處，計(jì)算進(jìn)口的邊界條件時(shí)將此前計(jì)算的排氣歧管入口處的溫度值、流量值進(jìn)行時(shí)間的平均來(lái)給定邊界條件，如表1所示，通過(guò)大量的試算以及后續(xù)的試驗(yàn)對(duì)比，此方法可行并且效率較高。出口位置為排氣接管兩個(gè)出口處，出口邊界條件給定靜壓，將其他表面設(shè)為耦合面，邊界條件是壁面。

表1 排氣歧管入口邊界條件設(shè)置

圖5為排氣歧管總成內(nèi)表面流體溫度分布圖，它將作為排氣歧管總成溫度場(chǎng)的邊界條件。計(jì)算結(jié)果表明耦合面的溫度約在790～963 K之間變化，歧管和接管連接處耦合面溫度范圍約在800～920 K。溫度較低處出現(xiàn)在排氣歧管第一入口附近，溫度較高位置出現(xiàn)在第三入口附近。對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)分析，歧管和接管的連接處有一定的熱量堆積，出口附近熱量下降比較快，這與實(shí)際熱量的走向是相符的。

3 排氣歧管總成溫度場(chǎng)的計(jì)算

排氣歧管總成溫度場(chǎng)的邊界條件既與排氣歧管總成內(nèi)表面流體溫度有關(guān)，又與外表面的環(huán)境溫度有關(guān)，但它外表面的環(huán)境溫度跟很多因素有關(guān)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系統(tǒng)等，考慮這些因素，仿真模型會(huì)很大，同時(shí)計(jì)算成本也會(huì)很高，因此我們假設(shè)排氣歧管總成外表面的環(huán)境溫度為一定值，將內(nèi)表面的溫度分布作為排氣歧管總成的邊界條件，這樣計(jì)算不僅簡(jiǎn)便，而且根據(jù)后續(xù)的計(jì)算與試驗(yàn)可說(shuō)明此方法可行并且誤差較小。

利用Pro/E軟件的組件功能建立排氣歧管和排氣接管的組合模型，將其導(dǎo)入到CFX軟件中并劃分網(wǎng)格，單元為四面體，單元數(shù)為73 700。

將排氣歧管總成內(nèi)表面流體溫度映射到排氣歧管總成內(nèi)表面，并作為邊界條件計(jì)算排氣歧管總成的溫度場(chǎng)。取環(huán)境溫度為30℃，排氣歧管總成的材料為FCD HiSi（Mo），其密度為7 850 kg/m3;彈性模量在25℃時(shí)為1.53×105MPa，700℃時(shí)為1.23×105MPa;泊松比為0.3;歧管和接管表面換熱系數(shù)選為常數(shù)，取160 W/（m2·K）;熱傳導(dǎo)系數(shù)的選取如表2所示。

表2 熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置

根據(jù)溫度場(chǎng)的邊界條件以及排氣歧管總成的材料參數(shù)，計(jì)算歧管總成的溫度場(chǎng)。圖6為排氣歧管總成的溫度分布圖，計(jì)算結(jié)果表明溫度約在210～690℃左右變化，溫度最高處出現(xiàn)在排氣歧管的第三個(gè)入口附近，且其他入口附近的溫度值也較高;溫度最低處位于排氣歧管第四個(gè)入口的安裝座外部，其他入口的安裝座外部溫度也較低;對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)分析，排氣歧管總成的溫度分布比較均勻，沒(méi)有很大的溫度梯度，但由于入口位置是靠近熱源的地方故此處溫度較高，其他部位的溫度相對(duì)較低。

4 排氣歧管總成溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

排氣歧管總成溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)熱應(yīng)力的計(jì)算有直接影響，為了驗(yàn)證溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在模擬環(huán)境及道路的試驗(yàn)室中，對(duì)裝有該發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛進(jìn)行了歧管總成的溫度測(cè)試試驗(yàn)［3］。

基于試驗(yàn)成本和時(shí)間上的考慮，應(yīng)選取有限個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布置十分關(guān)鍵，首先要在排氣歧管總成的關(guān)鍵位置布置測(cè)點(diǎn)，主要包括歧管總成局部開(kāi)裂的地方;其次測(cè)點(diǎn)的布置要反映排氣歧管總成整體的溫度分布情況;最后要在排氣歧管總成的邊界處布置測(cè)點(diǎn)，便于計(jì)算模型修正和邊界條件的調(diào)整，最終選取了21個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

布置完測(cè)點(diǎn)后開(kāi)始進(jìn)行排氣歧管總成溫度的測(cè)量。首先將K型熱電偶溫度計(jì)放置于便于測(cè)量溫度并且不會(huì)破壞歧管總成結(jié)構(gòu)的位置，然后汽車(chē)以空擋行駛，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 600 r/min的穩(wěn)定工況后，利用溫度計(jì)測(cè)得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度;此后汽車(chē)以一擋行駛，同樣達(dá)到3 600 r/min的穩(wěn)定工況時(shí)測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，最終以?xún)煞N工況下測(cè)得溫度的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)工況為3 600 r/min時(shí)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算溫度值和試驗(yàn)溫度值的對(duì)比曲線(xiàn)圖。從圖上可知總體上計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)是一致的，并且大部分位置誤差較小，只是在排氣歧管4個(gè)入口處的測(cè)點(diǎn)誤差大些，這主要是由模型和邊界條件的簡(jiǎn)化造成的，因此，計(jì)算排氣歧管總成溫度場(chǎng)的方法是可行的。

5 排氣歧管總成熱應(yīng)力計(jì)算

利用前面計(jì)算出的溫度場(chǎng)作為熱負(fù)荷進(jìn)行熱應(yīng)力的計(jì)算，將排氣歧管總成的計(jì)算模型離散后得到73 700個(gè)網(wǎng)格單元?？紤]到排氣歧管入口處的腰子孔要吸收熱變形和機(jī)械變形，因此腰子孔處為彈性支撐;同時(shí)又考慮到歧管和接管的實(shí)際定位情況，入口3的定位孔處為固定約束，用來(lái)消除剛體位移。大量的試算表明，這樣的設(shè)計(jì)是合理的。約束設(shè)置完成后開(kāi)始進(jìn)行熱應(yīng)力的計(jì)算，圖9為排氣歧管總成的熱應(yīng)力分布圖［4］，計(jì)算結(jié)果表明歧管和接管的連接處應(yīng)力水平約在100～130 MPa左右，歧管與缸壁相連的部位應(yīng)力大部分在70～150 MPa左右，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平較低，大部分區(qū)域應(yīng)力處于100 MPa以下。

排氣歧管總成材料為鑄鐵，許用應(yīng)力為270 MPa，計(jì)算所得歧管與接管連接處的應(yīng)力在材料許用范圍內(nèi)，故排氣歧管總成在實(shí)際工作中不會(huì)因?yàn)檩^大的熱應(yīng)力而造成開(kāi)裂，這為發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了有效的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，計(jì)算過(guò)程和計(jì)算簡(jiǎn)化是可行有效的，適用于新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)。

（2）熱應(yīng)力不是造成排氣歧管總成開(kāi)裂的主要原因，而對(duì)開(kāi)裂原因分析還需進(jìn)行振動(dòng)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲取機(jī)械應(yīng)力的信息，但限于篇幅，將另文討論。

【1】李紅慶，楊萬(wàn)里，劉國(guó)慶，等.內(nèi)燃機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析［J］.內(nèi)燃機(jī)工程:自然科學(xué)版，2005，26（5）:81 －84.

【2】傅秋陽(yáng).某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管流固耦合分析的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009（S1）:175－177.

【3】董非，蔡憶昔，范秦寅，等.內(nèi)燃機(jī)排氣歧管瞬態(tài)熱流體－熱應(yīng)力耦合仿真的研究［J］.汽車(chē)工程，2010，32（10）:854 －859.

【4】Moaveni S.有限元分析:ANSYS理論與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.