排氣歧管熱負荷研究

唐鵬，付景順

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

排氣歧管熱負荷研究

唐鵬，付景順

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

由于排氣歧管承受著來自發動機氣缸內交變的高溫載荷，復雜結構會造成局部溫度過高，進而會造成排氣歧管的局部變形，這樣有可能導致排氣歧管出現漏氣或者開裂的情況。基于上述排氣歧管存在的缺陷，文章以某車型1.6L排量發動機四合一結構形式的排氣歧管，運用流固耦合理論研究其工作時所承受的高溫載荷。在ANYSY Workbench平臺中將排氣歧管內部流體與其結構進行耦合傳熱計算，計算得到兩種安裝約束條件下的結構熱應力、熱變形的數值分布，并根據計算結果對排氣歧管的熱疲勞失效進行綜合分析，預測了其熱疲勞壽命。

排氣歧管；流固耦合；熱負荷；疲勞壽命

CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-56-03

1、概述

排氣歧管作為發動機排氣系統的重要零部件之一，歧管本身結構和熱力學性能對排氣效果有著很大的影響。行進的汽車常常會使得排氣歧管處在一個溫度冷熱變化的工作環境（溫度波動200°c到1000°c），交變高溫載荷會使排氣歧管產生塑性變形[1]，所以利用流固相耦合的方法對排氣歧管進行熱負荷模擬計算與疲勞壽命分析預測是很有必要的。首先利用網格劃分軟件ANSYS Meshing把排氣歧管內部流場網格模型和排氣歧管結構網格模型建立出來；接著運用Fluent流體力學分析軟件和Steady-State Thermal工具，通過給定的煙氣邊界條件將排氣歧管內部流體與其結構進行耦合傳熱計算，根據已分析得到的內壁面換熱系數、內壁面流體溫度,研究排氣歧管在不同安裝約束條件下的結構熱應力分布、熱應變分布以及熱變形，并對排氣歧管熱疲勞壽命進行了分析預測。

2、有限元模型及熱邊界條件

2.1 內部流體有限元模型

對于內部流體模型的獲取在Design Modeler中采用實體填充Fill命令，選中排氣歧管全部內壁面以獲得無縫銜接的流體域模型。對于內部流體模型網格劃分本文采用ICEM CFD方法劃分，以協調分片算法（Patch Conforming）劃分四面體網格，平滑度選用中級，內部流體有限元網格模型如圖1所示。氣體流動為5500r/min穩態工況下不可壓縮非定常湍流，煙氣進口質量流量邊界條件，煙氣出口壓力邊界條件，計算模型選用標準k-ε模型，排氣歧管初始溫度293K，壁面為標準壁面函數。

2.2 排氣歧管有限元模型

對結構穩態熱分析網格劃分在ANSYS Mechanical環境下進行。將模型導入Steady-state thermal模塊Design Modeler中，對流體域模型抑制不參與網格劃分，對排氣歧管模型幾何邊界簡化處理,采用自動網格方法劃分網格。

圖1 內部流體有限元模型

圖2 排氣歧管有限元模型

2.3 熱邊界條件

汽車在運行時，高溫尾氣不斷地從內燃機排放給排氣歧管，在此過程中，一方面由于高溫尾氣與室溫下的排氣歧管有溫度差異，導致管壁內部附近區域氣體不斷地將熱量傳導給內壁面，另一方面排氣歧管外壁處在自然環境中，大部分熱量也不斷地自然對流傳給周圍空氣，少部分熱量傳導、輻射給周圍介質[2]。本文對于排氣歧管內外環境的熱傳遞形式考慮以熱力學第一定律導熱第三類邊界條件—壁面對流傳熱（即與物體相接觸的流體介質的溫度和對流換熱系數已知），來單向耦合求解排氣歧管的熱應力分布。對于外部環境模擬自然條件下的自然對流換熱；對于內部氣體的溫度通過將流場分析結果傳輸給穩態熱場求解器，輸入溫度載荷耦合到排氣歧管內壁面網格單元，熱對流換熱系數與管道的形狀和尾氣的物理參數有關，對流換熱系數以公式1得到[2]。計算得出雷諾數為525656大于管道湍流雷諾臨界值10000，驗證了管道流場采用標準k—ε湍流計算模型[3]，熱邊界條件如表1所示：

表1 熱邊界條件

3、排氣歧管熱應力計算

首先加載熱邊界條件求解排氣歧管結構溫度場分布； 然后將結構網格節點溫度作為熱體載荷重新施加計算熱應力分布。以兩種安裝約束條件對排氣歧管進行應力計算：

（1）排氣歧管入口與發動機氣缸出口螺栓連接，安裝法蘭底面及螺栓連接孔壁表面限制其法向位移；排氣歧管出口與排氣總管相連，限制其出口端面法向位移；

（2）只限制入口安裝法蘭面與螺栓孔內表面約束，無摩擦支撐約束限制其法向位移。計算結果如圖3至10所示。

圖3 方案一排氣歧管等效應力分布

圖4 方案一排氣歧管等 效彈性應變分布

圖5 方案一排氣歧管等效塑性應變分布

圖6 方案一排氣歧管 總變形分布

圖7 方案二排氣歧管等效應力分布

圖8 方案二排氣歧管等 效彈性應變分布

圖9 方案二排氣歧管等效塑性應變分布

圖10 方案二排氣歧管 總變形分布

圖3為排氣歧管在第一種安裝約束條件下等效應力分布，最大值為2928MPa，位于排氣歧管出口端面區域。圖4為等效彈性應變分布云圖,最大值為0.0015，節點為368。圖4為等效塑性應變分布云圖,其最大值為0.43583，與等效彈性應變最大值節點同為4686，說明該處應力超過屈服極限230Mpa發生塑性變形，圖5顯示在出口處總變形量也達到最大值0.00771m，節點為15429。綜上分析，等效應力、等效彈性應變、等效塑性應變、總變形量最大值全部發生在排氣歧管出口處，出口端面是結構薄弱位置，容易發生疲勞失效。從第二種安裝約束方式排氣歧管等效應力分布云圖7可以看出結構整體承受的等效應力比第一種方案要小，最小值為1.23Mpa，且藍色區域廣泛存在，最大等效應力305Mpa出現在二支管外壁面上即為最大等效彈性應變位置如圖8，節點都是3093；最大等效塑性應變發生在入口法蘭邊緣處，此處由于螺栓連接并限制了孔內側壁面的膨脹導致熱變形受到限制，應力積聚導致塑性變形，最大等效塑性應變為0.0408，如圖9；結構的總變形量如圖10，最大為0.00404m。綜上分析，第二種方案等效應力、等效應變、總變形量都要比第一種約束方案小，正是由于只約束了排氣管入口位置自由度，與第一種方案相對比可以得出在結構的布置方式對與其所承受的載荷有較大影響，在發動機排氣系統設計初期要同時考慮。計算極值匯總如表2所示。

表2 兩種安裝約束應力應變極值統計

4、排氣歧管疲勞壽命計算

排氣管在出口處等效應力較大，超過屈服強度而發生塑性變形，反復作用會造成疲勞失效。本文采用局部應力應變法來設計排氣歧管的疲勞壽命，計算公式如公式2[4]，計算結果如表3所示：

?εp塑性應變循環幅值；Nf疲勞失效時載荷循環次數；α材料塑性指數，0.3到0.8；C與溫度變化成反比的材料參數。

表3 兩種約束方案下的最大循環次數

5、結論

（1）排氣歧管出口端面塑性變形最大，易發生疲勞失效。

（2）不同的安裝約束條件對結構承受的載荷有較大影響，在設計初期應當同時考慮。

（3）第一種安裝約束條件下，排氣歧管疲勞壽命僅為9次，對其結構需要改良設計。

（4）采用流固耦合方法計算排氣歧管熱應力，計算結果表明這種方法快速有效。

[1] 李紅慶,楊萬里,劉國慶,等.內燃機排氣歧管熱應力分析[J].內燃機工程,2005,26(5):81-84．

[2] 楊世銘,陶文琻.傳熱學[M]．北京：高等教育出版社.1998．

[3] 周光炯,嚴宗毅,許世雄,等.流體力學[M]．上冊.2版,北京：高等教育出版社,2000．

[4] Naohisa Mamiya.Thermal fatigue life prediction of an exhaust manifold by simulation[C].JSAE Annual Congress,1999,109(99)13- 16.

Thermal Load Research of Exhaust Manifold

Tang Peng, Fu Jingshun
（Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870）

Due to the exhaust manifold under high temperature load from the engine cylinder alternating, complex structure will cause local temperature is too high, which will cause local deformation of the exhaust manifold, which may lead to the exhaust manifold of leakage or cracking．Based on the defects existing in the exhaust manifold of a vehicle engine 1.6L four in one structure,using the fluid-structure coupling theory to study the high temperature load.In the ANYSY Workbench platform, the coupled heat transfer calculation of the internal flow and the structure,the numerical values of thermal stress and thermal deformation under two kinds of installation constraints are calculated,according to the calculation results, the thermal fatigue failure of the exhaust manifold is analyzed.

exhaust manifold; fluid-structure coupling; heat load; fatigue life

U463

A

1671-7988 (2017)10-56-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.020

唐鵬，就讀于沈陽工業大學。