基于Abaqus的某柴油發動機排氣歧管可靠性分析

摘要：針對某柴油發動機用排氣歧管，利用HypemLab和HyperMesh軟件進行網格劃分，采用FIRE流體軟件對排氣歧管進行溫度場計算。將溫度分析結果、各相關零部件的材料屬性、排氣管墊片的壓彈特性曲線作為邊界，運用流、固耦合方法及傳熱學理論計算排氣歧管的熱邊界條件，計算出排氣歧管在不同載荷工況下的溫度場及應力分布情況。將計算結果導入疲勞分析軟件FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進行高周疲勞分析并求解，獲得排氣歧管的熱疲勞強度性能、排氣歧管墊片線壓、緊固螺栓衰減等數據結果。對通過CAE仿真分析的零件進行試制并裝配樣機，進行相應的可靠性試驗驗證。排氣歧管通過相應試驗，且計算結果與試驗結果吻合，表明此CAE仿真計算方法可較好的預估排氣歧管熱強度性能。

關鍵詞：柴油機；排氣歧管；熱疲勞；強度

0" "引言

排氣歧管作為柴油機的重要部件，承受著來自發動機的高溫廢氣沖擊，極易發生熱疲勞破壞。同時排氣歧管還作為渦輪增壓器的支撐承受較大的彎矩，由此導致排氣歧管熱疲勞故障成為排氣歧管故障主要原因之一。為了滿足柴油發動機工作時的可靠性能，要求排氣歧管具有良好的熱強度[1-3]。

國外MARTINS R F等人對排氣歧管的熱疲勞計算方法進行了研究，用排氣管材料在高溫熱載荷的循環使用條件下產生等效塑性應變，作為評價標準用以評估排氣歧管高溫疲勞壽命[4]。袁守利[5]、劉凱敏[6]等人分別針對高鎳柴油機與渦輪增壓汽油機排氣歧管的熱疲勞采用流、固耦合方法，通過CAE模擬熱負荷，獲得熱應力分布圖及應力安全系數分布，利用安全系數法來評估預測其疲勞壽命。由此看來，利用CAE仿真分析技術對柴油發動機排氣歧管的高溫強度及可靠性進行計算，并根據計算結果優化結構，已經提升發動機整機可靠性的一個重要方向。

1" "柴油機排氣歧管方案

某柴油發動機的排氣歧管結構如圖1，排氣歧管緊固螺栓編號如圖2所示。該排氣歧管為整體式定壓排氣歧管，排氣管緊固部位采用局部風冷卻螺栓結構設計。本文根據可靠性要求對排氣歧管進行熱強度分析。

2" "模型及邊界條件

2.1" nbsp; 計算分析模型

根據分析需要將排氣歧管相關聯的組件進行網格劃分，其有限元模型包括氣缸蓋、排氣歧管、排氣歧管墊片、增壓器底座、螺栓等。使用SimLab和HyperMesh軟件進行網格劃分，計算模型節點數和單元數如表1所示。

利用FIRE流體軟件計算內流場的溫度，通過映射程序獲取熱邊界，在Abaqus里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。進行溫度場計算時，墊片采用DC3D15單元，實體采用DC3D10單元，靜力學計算時，墊片采用GK3D12M單元，實體采用C3D10M單元。有限元計算模型如圖3所示。

2.2" " 排氣歧管材料參數

排氣歧管材料為RuTSi4Mo，其熱屬性參數如表2至表5所示。排氣歧管墊片在加載和卸載連續變化條件下的壓彈曲線如圖4所示。

2.3" " 邊界條件

溫度場分析的載荷步如表6所示，時間單位為s。排氣歧管內壁及缸蓋排氣道內壁相關溫度和換熱系數由流體計算所得。其中缸蓋水套流體計算所得參數如下：怠速點溫度75℃，標定點溫度102℃。排氣歧管管和缸蓋外壁面參數如下：換熱邊界溫度75℃。輻射邊界溫度30℃，輻射系數為0.2。

將溫度場分析結果作為溫度邊界輸入，施加標定工況的溫度場，加載螺栓軸力。溫度場分析不施加位移約束。靜力分析時，缸蓋封火圈位置約束上下方向（Z向）、缸蓋底面左右中間分割線上若干點約束左右方向（X向）、缸蓋底面前后中間分割線上若干點約束前后方向（Y向），約束邊界圖5所示。

3" "計算結果

3.1" " 溫度場及應力計算結果

根據流場邊界條件，運用流固耦合方法及傳熱學理論，計算排氣歧管的熱邊界條件并將其映射到排氣歧管結構上，然后計算可靠性較高的排氣歧管溫度場。圖6、圖7為標定轉速下排氣歧管及其內壁面溫度場分布云圖。

然后將溫度場作為熱載荷計算排氣歧管的熱應力熱變形。本計算中，考慮了排氣歧管附件如增壓器等的振動加速度影響，其中排氣歧管受到上下各10g、前后左右各5g的加速度影響，考慮溫度場和加速度共同作用下排氣歧管應力分析如圖8所示。

3.2" " 疲勞結果

將應力分析結果文件導入到疲勞軟件FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進行高周疲勞求解，得出排氣歧管應力集中部位和相關的疲勞安全。排氣歧管高周疲勞安全系數1.52，大于許用值1.2，符合設計要求。

3.3" " 排氣歧管密封性計算結果

螺栓裝配工況、標定工況及怠速工況下，排氣歧管墊片密封區最小線壓分別為165N/mm、89.1N/mm及79.0N/mm，各工況最小線壓均大于許用值10N/mm，故排氣歧管墊片線壓滿足要求。

3.4" " 排氣歧管螺栓軸力計算結果

排氣歧管各工況線壓結果匯總如表1所示。排氣歧管墊螺栓軸力衰減結果如圖9所示。衰減較大的位置在第一缸和第四缸螺栓排氣歧管螺栓軸力衰減最大為37%，均小于50%，為此排氣歧管軸力衰減滿足要求。

4" "驗證結果

試制相應的零件并制定了發動機冷熱沖擊可靠性試驗及500h可靠性驗證，通過了《5000次冷熱沖擊可靠性試》、《500h收割機工況可靠性試驗》的驗證[7-8]，無排氣歧管故障發生，排氣歧管通過了通過可靠性試驗驗證。

5" "結論

針對柴油發動機的排氣歧管，利用流體軟件對排氣歧管進行溫度場計算，將溫度結果作為邊界，計算排氣歧管在載荷布工況下溫度場及應力分布情況，得出排氣歧管的熱疲勞強度性能和排氣歧管墊片的線壓、緊固螺栓軸力衰減結果。排氣歧管高周疲勞安全系數為1.52，排氣歧管墊片最小線壓值為79.0N/mm，排氣歧管緊固螺栓軸力衰減最大值為37%，均符合設計要求。

參考文獻

[1] 鄧國紅，李華彬，楊鄂川，等.緊耦合式排氣歧管熱應力分析方法研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018（4）：41-47.

[2] 姜廣志.溫度影響下汽車排氣系統振動疲勞研究[D].重慶：重慶理工大學，2016.

[3] 樊明，范習，姚煒，等.基于Abaqus的某柴油機排氣歧管熱固耦合分析[J].計算機輔助工程，2013，22（S2）：113-118.

[4] MARTINS RF，BRANCO CM，GONCALVES AM，et al.A failure" " " ""analysis of exhaust systems for naval gas turbines [J].EngineeringFailure Analysis，2009，16（4）：1314-1323.

[5] 袁守利，王超，劉志恩，等.高鎳鑄鐵排氣歧管低周熱疲勞研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2014，36（2）：190-193，202.

[6] 劉凱敏，楊靖，張思遠，等.增壓直噴汽油機排氣歧管低周疲勞的研究[J].汽車工程，2016，38（3）：373-379+384.

[7] 余孟新.YCF36140-T400（360000）2212 500h收割機工況可靠性試驗報告[R].玉林：玉柴工程研究院.

[8] 應希俄.YCF36140-T400 （360000）-2003 5000次冷熱沖擊可靠性試驗報告[R].玉林：玉柴工程研究院.