基于CAE分析的塑料進氣歧管爆破強度優化設計

秦冠童，李堅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

基于CAE分析的塑料進氣歧管爆破強度優化設計

秦冠童，李堅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

運用CAE有限元分析軟件對某發動機進氣歧管進行壓力承載分析，得到應力分布云圖，通過結合實際產品試驗來驗證分析方法和邊界條件定義的準確性；基于分析結果對產品結構進行優化，為提高產品爆破強度提供有力依據和方向。

進氣歧管；回火；爆破強度；結構優化

發動機進氣歧管的作用就是把空氣、燃料等混合后的可燃氣體均勻的分配給各氣缸。由于進氣端溫度較低，復合材料開始成為熱門的進氣歧管材質，能有效減少阻力，增加進氣的效率［1］。進氣歧管設計的好壞對發動機啟動性、尾氣排放特性以及輸出功率等有很大的影響［2］。通常塑料進氣歧管與發動機缸蓋直接連接，工作時最高溫度可達120℃［3］.此外，進氣歧管還要承受發動機振動負荷、節氣門體慣性力負荷、進氣壓力脈動負荷。在發動機異常回火情況下，做工沖程中的高壓氣體倒流入進氣歧管，導致進氣歧管內腔壓力驟升，瞬間將會達到幾個甚至十幾個大氣壓的峰值。為此，塑料進氣歧管爆破壓力必須大于該峰值壓力，以保證異常情況下不至于發生破損，而影響用戶的使用安全。總之，進氣歧管工作環境惡劣。其是發動機關鍵零部件之一，為保證發動機的正常運行，進氣歧管要求耐高溫、爆破強度高以及耐老化。

利用CAE軟件進行結構應力分析已經成為產品開發主流模式，而目前應用在進氣歧管爆破強度分析上的的實例相對較少，缺乏相關經驗。本文的目的是通過結合產品實際開發經驗，闡述將應力分析和實際產品驗證相結合，在設計初期對產品進行虛擬評估，確定產品結構設計的合理性，通過結構設計優化以提高進氣歧管的爆破強度。

1　分析模型的建立及確認

1.1模型和材料物理性能輸入

進氣歧管設計選材也是關鍵步驟之一，根據產品設計經驗，初步定義使用PA6-GF30進行產品結構分析及樣件制作。從軟件的材料庫中選擇相應材料，對其默認參數進行編輯，輸入定義的材料屬性，并將材料物理性能賦予進氣歧管的三維模型。分析參數定義如表1所示。

表1　材料物理特性

1.2網格劃分及邊界設定

利用前處理軟件HyperMesh軟件來建立進氣歧管有限元模型，然后將有限元模型導入計算分析軟件Abaqus，并對其進行邊界設定。

（1）網格劃分

將進氣歧管原始數據劃分為二階10節點四面體的網格模型。四面體網格模型建立快捷，修改方便，還可對局部局域進行細化加密處理，使網格質量更優，分析結果更加準確。將進氣歧管模型劃分為457 633個網格單元，885 247個節點；將進氣歧管與節流閥體連接處的法蘭面進行簡化網格劃分。網格劃分結果如圖1所示。

圖1　網格模型

（2）邊界定義

在實際裝配中，進氣歧管通過5顆螺栓連接固定到缸蓋上。為了簡化計算，對于CAE分析模型，直接在進氣歧管螺栓安裝孔處約束所有自由度。考慮到產品實際爆破試驗時環境條件為室溫，將模擬分析溫度也定義為室溫（即23℃），以讓CAE分析數據與試驗結果比對更加貼切。載荷施加的對象為進氣歧管內腔，基于某發動機在異常回火時，最高產生11 bar的高壓氣體，將載荷大小設定為12 bar.

1.3有限元模型的驗證

（1）爆破強度分析計算

利用Abaqus對進氣歧管有限元模型進行應力分析，計算得到應力分布云圖（見圖2）。由圖2可以分析看出，進氣歧管上殼體處多個氣道上應力較集中，以及在各氣道之間的過渡彎道處應力較集中，且都非常的接近材料許用范圍（對于PA6-GF30材料，許用應力約為93 MPa），而且過渡彎道處應力值更大（達到85 MPa），最大能夠承受10.7 bar的爆破壓力。

圖2　初始模型應力云圖

（2）驗證CAE分析方法及模型的準確性

本產品在開發初期沒有進行CAE爆破強度分析，開完工裝樣件后，在爆破試驗中發現了爆破壓力值只有10.5 bar，低于目標值。獲得CAE應力分析結果之后，將數據同實際爆破試驗結果進行了比對，兩項結果很接近。爆破試驗結果如圖3所示，上殼體中的部分結構沿圖中的示意線條被撕裂。

圖3　爆破試驗結果示意圖

從爆破結果判斷，各氣道之間的過渡彎道處最早開裂，之后裂縫迅速沿應力集中區域延伸，最終導致進氣歧管上殼體的一大塊面積被高壓撕裂，其薄弱位置與CAE分析結果相對應。

通過CAE計算分析云圖以及爆破試驗結果比對，確認進氣歧管有限元模型的建立符合實際，邊界約束及載荷設定合理。

2　產品設計優化

2.1首次優化及效果分析

基于首次CAE分析結果，已經確認產品結構弱點位置，將通過以下兩種方案對進氣歧管結構進行結構優化，以提高爆破強度。結構優化一，在不影響歧管內腔的前提下，通過增大各氣道間的過渡半徑（如圖4b）來降低應力集中；結構優化二，針對氣道表面應力集中區域，通過增加加強筋（共四處，如圖4a）來強化結構，提高承載能力。

圖4　分析結果

為確保產品實施優化后能夠滿足設計強度要求，我們首先對優化后的進氣歧管進行爆破強度模擬分析，評估優化效果。分析結果如圖4所示，總體應力值有所下降，而應力較集中的區域無多大轉移，還是在原來的位置。通過本次優化設計，最大應力已經降至78 MPa，比優化之前減小了7 MPa，最大承載力提升近10%約為11.3bar，進氣歧管爆破強度已然滿足設計要求。圖5所示。

圖5　首次優化分析結果

CAE分析畢竟只是一種輔助工具，分析結果只是提供了理論依據。參照本輪分析結果所進行的結構優化方案，對進氣歧管模具進行修改，并進行了爆破試驗，如圖6所示，從實際爆破結果可知，爆破壓力值為11.5 bar，相對優化前提升9%左右，與優化后的CAE分析結果數據相吻合。

圖6　首次優化后爆破試驗示意圖

從這次優化的結果來看，爆破強度的確已經滿足產品設計要求。但考慮到到PA6-GF30符合材料在熱老化后性能的下降，要保證進氣歧管在長期使用后依然可以承受11 bar的爆破壓力，需要對進氣歧管進一步優化。通常來說，進氣歧管最薄弱處應該是焊接筋，這是因為焊接筋處的材料經過了二次熔化。但通過加大過渡區域的圓角半徑以及增加加強筋后，整個產品的弱點在殼體上，并非焊接區域，說明進氣歧管的結構還有優化的空間。

2.2二次設計優化

仔細分析首次優化的CAE分析結果，發現氣道表面的應力還是比較集中，尤其是最右側的一個氣道表面，其直接延伸至兩個氣道的過度區域。通過對氣道表面再次增加加強筋（如圖8所示），希望能夠把集中在這里的應力分散開來，使整個殼體的強度也跟著提高。

對于第二次優化思路，將添加加強筋后的三維數據模型進行預處理，施加邊界約束和載荷，通過Abaqus對其進行應力分析，結果如圖7所示。從分析結果的應力分布云圖來看，進氣歧管上殼體的應力集中區域已經分散。最大應力不是在殼體上而是在焊接區域。從應力云圖看，單殼體結構應力小于65 MPa，遠遠小于材料許用值93 MPa.焊接筋區域應力分布在50～70 MPa，也小于焊接區域材料許用值75 MPa（進氣歧管總成是將多片殼體通過振動摩擦焊連接在一起，焊接筋區域的材料經過摩擦生熱再次熔化，通常此區域結構的抗爆破能力比非焊接區域要低。根據經驗，焊接筋爆破強度大概為非焊接區域的80%，即大概在75 MPa）。由此，從分析數據可以判斷，焊接筋的區域會出現破裂。

圖7　二次優化分析云圖

二次優化的分析數據顯示，爆破強度比首次優化結果又提升了近8%，達到了12.2，效果顯著。基于本次分析結果，也對產品進行了實際驗證。產品從焊接筋位置（如圖8）破裂，與分析數據相對應，爆破壓力提升到了12.5 bar.經過兩輪優化后，產品爆破壓力提升了許多（如圖9所示）。

圖8　二次優化及爆破點示意圖

圖9　爆破試驗曲線

3　結束語

通過CAE模擬分析可以有效地預測進氣歧管的結構強度，準確的評估爆破試驗結果，發現薄弱點。基于CAE分析結果，對進氣歧管結果進行優化，可以使產品達到設計目標值。

由于焊接致使材料的二次熔化，進氣歧管結果薄弱點應出現在焊接區域。如果CAE分析結果不在焊接區域，那么次進氣歧管結構還具有優化的空間。

通過不斷的總結和積累經驗，合理定義計算邊界，確保了有限元分析模型的準確性，使得CAE分析結果更加具備應用于指導產品優化的價值。

［1］汽車百科全書編纂委員會.汽車百科全書［M］.北京：中國大百科全書出版社，2010.

［2］楊德定，陸金華，宋偉.基于CAE分析的進氣歧管系統結構優化設計［J］.裝備制造技術，2014，（12）：172-173.

［3］李欣，李力，黃鳳琴.基于Abaqus的汽油機進氣歧管爆破強度分析［J］.計算機輔助工程2013，（增刊2）：64-66.

Burst Strength Optimization of Plastic Intake Manifold based on CAE Analysis

QIN Guan-tong，LI Jian
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Using the CAE software to make the stress analysis of plastic intake manifold，and gets the stress distribution cloud chart.By combining with the test of actual product verified the accuracy of the analysis method and boundary conditions.Based on the analysis results to optimize the structure of product，and provide the reliable basis and direction for improving bursting strength of product.

intake manifold；backfire；bursting strength；structure optimization

U464.1

A

1672-545X（2016）08-0095-04

2016-05-01

秦冠童（1987-），男，廣西貴港人，本科，助理工程師，主要從事發動機零部件設計開發。