基于流固耦合技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算分析

劉建華

(約翰迪爾(天津)有限公司,天津 300457)

基于流固耦合技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算分析

劉建華

(約翰迪爾(天津)有限公司,天津 300457)

采用流固耦合技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的熱應(yīng)力計(jì)算,采用AVL FIRE軟件計(jì)算排氣歧管內(nèi)流場(chǎng),并利用MATLAB軟件編程將FIRE軟件輸出結(jié)果映射至有限元網(wǎng)格上,最后利用ABAQUS軟件計(jì)算排氣歧管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果得到了很好的吻合,并給出了合理的建議。

流固耦合 排氣歧管 熱應(yīng)力 有限元

排氣歧管直接與缸蓋相連，負(fù)責(zé)及時(shí)暢通地把發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣傳遞給后續(xù)的排氣系統(tǒng)，長(zhǎng)期受高溫氣體的侵蝕，其工作環(huán)境十分惡劣。排氣歧管的溫度大小及分布對(duì)其熱應(yīng)力有著非常重要的影響，進(jìn)而影響其工作可靠性。快速準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的計(jì)算分析，為排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇有著重要的意義。

“反算法”是目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件進(jìn)行熱應(yīng)力的研究方法[1-3]，即首先實(shí)測(cè)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，并反復(fù)調(diào)整熱邊界條件，最終使得關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，這種方法不但計(jì)算量大，而且無法在排氣歧管設(shè)計(jì)階段對(duì)其熱應(yīng)力水平做出評(píng)估。

利用流固耦合技術(shù)對(duì)排氣歧管的熱應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)估是目前國(guó)際上普遍采用的方法，具體的說，既是采用流固耦合的方法來計(jì)算排氣歧管的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力，其熱邊界條件是通過CFD模擬出來的，不需要實(shí)測(cè)就可以得到比較精確的溫度場(chǎng)信息。

本文以某六缸柴油機(jī)排氣歧管為研究對(duì)象，分別分析不加筋板及加入筋板后的排氣歧管熱應(yīng)力分布狀況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出合理建議。

1 計(jì)算過程

1.1 計(jì)算流程

排氣歧管熱應(yīng)力分析分為三個(gè)部分：排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算、排氣歧管溫度場(chǎng)計(jì)算及排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算。首先，通過AVL FIRE軟件根據(jù)AVL BOOST軟件計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)計(jì)算排氣歧管的內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)；之后，將FIRE計(jì)算出的排氣歧管的內(nèi)壁表面溫度場(chǎng)和換熱系數(shù)映射到有限元網(wǎng)格上，通過ABAQUS計(jì)算出排氣歧管的溫度場(chǎng)；在排氣歧管的溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上，計(jì)算其熱應(yīng)力。

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 內(nèi)流場(chǎng)分析模型

排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)分析采用FIRE軟件進(jìn)行分析，其目的是為排氣歧管的傳熱分析提供必需的熱邊界條件。由于排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)的壓力和溫度隨時(shí)間不斷變化，需要進(jìn)行瞬態(tài)分析，在這里使用最為直觀的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角(Crank-Angle)模式進(jìn)行計(jì)算，并通過角度增量控制求解步長(zhǎng)。求解最終角度設(shè)置為2880°，為周期720°的四倍，這是為了讓內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)入一個(gè)盡可能穩(wěn)定的循環(huán)工作狀態(tài)，減小瞬態(tài)效應(yīng)。

邊界條件的設(shè)置為：進(jìn)出口邊界條件為AVL BOOST軟件計(jì)算所得，計(jì)算轉(zhuǎn)速為2500r/min，進(jìn)口輸入流量數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，出口輸入總壓和溫度數(shù)據(jù)，其余為壁面邊界條件，湍流模型采用k-zetaf模型。

1.2.2 有限元分析模型

本文對(duì)排氣歧管進(jìn)行的有限元分析包括傳熱分析和熱應(yīng)力分析。即先對(duì)排氣歧管進(jìn)行傳熱分析，得到排氣歧管上的溫度分布之后將其映射到結(jié)構(gòu)計(jì)算中，進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。其有限元計(jì)算網(wǎng)格模型見圖1.

圖1 排氣歧管有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

對(duì)于傳熱邊界，排氣歧管外部使用自然對(duì)流散熱邊界，散熱系數(shù)為1.0e-5W/(mm2·k)，溫度為80℃。排氣歧管內(nèi)壁邊界即為FIRE軟件計(jì)算排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)所得的溫度和換熱系數(shù)。FIRE軟件輸出的數(shù)據(jù)需利用MATLAB軟件編制程序，將不同轉(zhuǎn)角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數(shù)信息映射到有限元網(wǎng)格上。

在排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算中，設(shè)置邊界的節(jié)點(diǎn)位置見圖2，并約束圖示節(jié)點(diǎn)的全部自由度。通過設(shè)置Predefined fields將排氣歧管上的溫度作為溫度邊界加入到應(yīng)力分析中。

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)邊界位置示意圖

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)于排氣管內(nèi)流場(chǎng)，本文只關(guān)心2160°至2880°轉(zhuǎn)角(計(jì)算中的第四個(gè)周期)的結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果中的溫度和換熱系數(shù)結(jié)果按單元輸出，如(圖3)，編制MATLAB程序，將不同轉(zhuǎn)角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數(shù)信息映射到有限元網(wǎng)格上。

圖3 溫度和換熱系數(shù)按單元輸出結(jié)果

2.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

可以看出，排氣管高溫區(qū)域主要集中在出氣口附近，兩邊溫度較低。排氣管內(nèi)壁與外壁之間存在一定的溫度梯度，見(圖4、5)。

圖4 排氣歧管溫度場(chǎng)分布(不帶筋板)

圖5 排氣歧管溫度場(chǎng)分布(帶筋板)

2.3 熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于求解設(shè)置時(shí)法蘭處加入的約束剛度較大，此處的應(yīng)力是不準(zhǔn)確的，為避免干擾，不考慮連接法蘭處的應(yīng)力，只顯示管身的應(yīng)力，見(圖6、7)。

圖6 排氣管身的應(yīng)力分布(不帶筋板)

圖7 排氣管身的應(yīng)力分布(帶筋板)

可以明顯看出，對(duì)于排氣管身，應(yīng)力集中在出口附近，放大圖見(圖8)。

圖8 排氣管熱應(yīng)力局部放大圖

從圖中可以清晰的看出，應(yīng)力集中出現(xiàn)在底部，中間兩個(gè)進(jìn)氣口分叉位置，與實(shí)際斷裂位置吻合，見(圖9)。比較兩種設(shè)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，在加入筋板之后，可以在一定程度上減小底部高應(yīng)力區(qū)的面積和大小，對(duì)改善排氣管受力狀況有一定助益。

圖9 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)比較圖

3 結(jié)語

(1)在此案例中，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果得到了很好的吻合，并通過加入筋板改善高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力大小和面積，故應(yīng)采用加筋板的建議；

(2)利用流固耦合技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算分析是行之有效的方法，能夠準(zhǔn)確判斷潛在危險(xiǎn)區(qū)域，為排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及故障判斷提供了可靠的理論依據(jù)。

[1]程丁丁,雷基林,畢玉華,李陽.2D25柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)測(cè)試及有限元分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2010,37(5)：60-65.

[2]田永祥,張錫朝,張濟(jì)勇.柴油機(jī)活塞的溫度場(chǎng)、熱變形與應(yīng)力三維有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2004,25(1)：63-65.

[3]葉曉明,閔作興,陳國(guó)華,等.柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及三維有限元分析幾[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(3)：46-48.