重型商用車發動機進氣管路強度分析

呂東　陳濤　孟祥光　畢明昕

本文結合Abaqus和CFD分析軟件，采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法對某重型商用車發動機進氣管路進行了強度分析方法的研究，通過對危險應力值和位移值等計算結果的對比分析，說明有限元模型與CFD模型的準確性良好，流固耦合分析方法比均布載荷計算更接近實際工況。

發動機進氣管路的作用主要是盡可能多地為發動機提供純凈的空氣，一般包括空氣濾清器和進氣管路。發動機在進氣過程中會在進氣管內形成一定的真空度，使發動機及其相關附件完成正常的工作，如果清潔端管道連接處漏氣或者進氣管破損，導致未經過濾的空氣漏入進氣管并進入氣缸，對發動機的正常工作產生影響，使其工作性能下降。在設計過程中，由于布置空間有限，進氣管路連接管的形狀較復雜，如圖1所示。本文主要針對某重型商用車發動機進氣管路強度的分析方法進行研究，分別采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法進行強度與剛度計算，并將結果與試驗進行對比，為管道的流固耦合分析提供了理論依據。

一、進氣管路模型

1.真空試驗模型

本文采用實車1：1比例試驗模型，試驗模型僅為進氣管路中間段連接管。試驗模型為全封閉管路，僅在出氣口處開孔進行抽氣，使管路內部形成真空狀態，模擬整車工作極限工況。

2.幾何模型

本文采用實車1：1比例仿真模型，如圖1所示。空氣通過空氣濾清器清潔后經過藍色管道部分進入管路系統，經過中間段黑色連接管部分后達到管路出口，通過增壓器增壓進入發動機。

3.連接管有限元模型

連接管有限元計算模型如圖2所示。

4.CFD力學模型及控制方程

在某轉速的正常工況下，管道入口平均流速為13.78m/s，Ma=v/c=0.04，馬赫數較小，認為流體密度為常數；，弗勞德數較小，忽略重力的影響；從入口到出口，整個過程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響；由于只關注發動機在某轉速下穩定狀態的運轉，所以流動近似穩態流動。基于以上條件，從圖1中可看出進氣管路結構形式是不規則的，氣流在進氣系統中以復雜的湍流形式運動，對湍流的處理采用不可壓縮流體的標準k-ε雙方程模型。標準k-ε模型為半經驗公式，其中湍流動能k方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經驗公式導出的方程。根據試驗數據將入口設置為質量流量入口，出口設置為壓力出口。CFD網格模型如圖3所示。

二、進氣管路仿真分析

本節對發動機進氣管路進行極限工況下的模型真空試驗、施加均布載荷強度計算和采用流固耦合方法的強度計算，并對各分析方法的計算結果進行對比分析。

1.模型真空試驗

本文采用實車1：1比例試驗模型，試驗模型僅為進氣管路中間段連接管。試驗模型為全封閉管路，僅在出氣口處開孔進行抽氣，使管路內部形成真空狀態，模擬整車工作極限工況。

在自由狀態下對管路進行真空試驗，當真空壓力達到-30KPa時，測得連接管進氣口側被吸癟約4.6mm。

2.施加均布載荷強度分析

進氣管路均布載荷計算保持與試驗相同的加載條件，載荷工況為管道內表面施加-30KPa的均布負壓。

通過計算可以得到進氣管路連接管的整體變形圖、應力云圖和位移云圖，如圖4所示。可以看到，管道的變形與試驗相同，第一危險應力點在支架處，為13.17MPa，第二危險應力點在管道回彎處，為11.05MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.324mm、4.247mm和3.776mm。

3.流固耦合強度分析

極限工況下的強度分析采用流固耦合分析方法，CFD模型的出口壓力設置為-30KPa，進氣口設置工作工況中的最大流量，計算工況按照實際工作工況進行設置。

流固耦合是將CFD軟件STAR CCM+與有限元軟件Abaqus進行連接，各自進行單增量步的計算，在耦合面區域網格處進行數據交換，然后再各自進行下一輪的單增量步的計算，如此循環至計算收斂，從而實現數據的動態交換，此方法能夠很好地解決流體載荷和結構變形之間相互影響的問題。

計算前需對兩個軟件進行耦合設置，在Abaqus中對有限元模型設置材料屬性、邊界條件和分析步等，導出inp文件作為耦合輸入文件，在文件命令流的尾端添加耦合命令行，如圖5所示。

在STAR-CCM+中設置進出口參數、停止標準和傳遞場函數，導入的場函數為節點位移場，導出至Abaqus的場函數為壓力場，物理模型選擇Co-simulation中的Abaqus協同仿真模塊，并設置耦合輸入文件路徑與Abaqus執行文件路徑，如圖6所示。

通過計算可以得到進氣管路內表面的壓力分布圖、速度流線圖和連接管的整體變形圖、應力云圖和位移云圖，如圖7所示。從速度流線圖可以看到，氣流在彎管處會形成漩渦，回彎處內側氣流流速大于外側流速，并且在接近出口處的平直管路呈螺旋狀態，出口處有局部回流。從壓力分布圖可以看到，中間連接管段在回彎處，由于內側氣流流速比外側快，所以內側的壓力大于外側壓力。連接管的變形與試驗相同，第一危險應力點在支架處，為13.0NVIPa，第二危險應力點在管道回彎處，為11.01MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.310mm，4.232mm，3.771mm。

三、計算結果對比分析

1.試驗與均布載荷仿真計算結果對比

試驗數值與均布載荷仿真計算的位移結果對比如表1所示，以試驗值為基準值，仿真計算中進氣口側的管道位移偏小7.67%，這是由于加工工藝的缺陷，導致管道在制造過程中，壁面厚度分布不均，分型面處偏厚，中間壁面偏薄，而有限元模型的壁面分布均勻，因此在相同壓力作用下，有限元模型的計算結果比試驗位移值偏小。

2.流固耦合計算結果討論

CFD仿真計算的優點在于其可以模擬并可以直觀地看到氣流在管道內的真實流動狀態，可以很好地模擬出沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現象，同時也可以模擬流體的速度變化和管道內表面的壓力變化。

流固耦合是一種結合CFD仿真和靜力強度仿真的分析方法，在每個分析步內傳遞數據，結構在氣流壓力作用下變形，而流場又直接受到結構變化的影響，因此采用流固耦合方法進行發動機進氣管路的強度分析更加接近實際工況，而且得到的數據也更加準確和精確。

流固耦合計算與均布載荷計算的結果對比如表2所示，以均布載荷計算結果為基準值，可以看到，兩種分析方法的計算結果非常相近，對比值均在1%以內，且流固耦合方法結果偏小。本文研究的管道模型變形量較小，因此流固耦合方法的計算結果沒有產生太大變化。

四、結語

（1）本文聯合Abaqus和CFD分析軟件，針對某重型商用車發動機進氣管路進行了強度分析方法的研究，主要進行了極限工況下模型真空試驗、施加均布載荷強度分析和流固耦合分析，通過對強度與剛度計算結果分析研究各計算方法的特點及優劣性。

（2）通過數據對比分析顯示，在極限工況下，仿真結果較試驗值偏小，臺架試驗模型存在加工工藝缺陷和人為試驗誤差，而仿真模型更加理想化，故仿真強度分析可作為模擬臺架試驗的手段。

（3）流固耦合分析方法結合Abaqus和CFD軟件，能夠模擬并直觀地觀察氣流在管道內的真實流動狀態，模擬氣流的沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現象和流體的速度變化以及管道內表面的壓力變化，同時在每個分析步內傳遞數據，結構在氣流壓力作用下變形，而流場又直接受到結構變化的影響，相比于均布載荷分析更接近發動機進氣管路的實際工作工況，得到的數據也更加準確和精確。

（4）流固耦合分析方法可以作為發動機進氣管路強度分析的一種重要手段。