基于CAE分析的塑料進(jìn)氣歧管爆破強度優(yōu)化設(shè)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(jìn)氣歧管爆破強度優(yōu)化設(shè)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(fā)動機進(jìn)氣歧管進(jìn)行壓力承載分析，得到應(yīng)力分布云圖，通過結(jié)合實際產(chǎn)品試驗來驗證分析方法和邊界條件定義的準(zhǔn)確性；基于分析結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為提高產(chǎn)品爆破強度提供有力依據(jù)和方向。

進(jìn)氣歧管；回火；爆破強度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

發(fā)動機進(jìn)氣歧管的作用就是把空氣、燃料等混合后的可燃?xì)怏w均勻的分配給各氣缸。由于進(jìn)氣端溫度較低，復(fù)合材料開始成為熱門的進(jìn)氣歧管材質(zhì)，能有效減少阻力，增加進(jìn)氣的效率［1］。進(jìn)氣歧管設(shè)計的好壞對發(fā)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(jìn)氣歧管與發(fā)動機缸蓋直接連接，工作時最高溫度可達(dá)120℃［3］.此外，進(jìn)氣歧管還要承受發(fā)動機振動負(fù)荷、節(jié)氣門體慣性力負(fù)荷、進(jìn)氣壓力脈動負(fù)荷。在發(fā)動機異常回火情況下，做工沖程中的高壓氣體倒流入進(jìn)氣歧管，導(dǎo)致進(jìn)氣歧管內(nèi)腔壓力驟升，瞬間將會達(dá)到幾個甚至十幾個大氣壓的峰值。為此，塑料進(jìn)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(fā)生破損，而影響用戶的使用安全。總之，進(jìn)氣歧管工作環(huán)境惡劣。其是發(fā)動機關(guān)鍵零部件之一，為保證發(fā)動機的正常運行，進(jìn)氣歧管要求耐高溫、爆破強度高以及耐老化。

利用CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)主流模式，而目前應(yīng)用在進(jìn)氣歧管爆破強度分析上的的實例相對較少，缺乏相關(guān)經(jīng)驗。本文的目的是通過結(jié)合產(chǎn)品實際開發(fā)經(jīng)驗，闡述將應(yīng)力分析和實際產(chǎn)品驗證相結(jié)合，在設(shè)計初期對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬評估，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以提高進(jìn)氣歧管的爆破強度。

1　分析模型的建立及確認(rèn)

1.1模型和材料物理性能輸入

進(jìn)氣歧管設(shè)計選材也是關(guān)鍵步驟之一，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，初步定義使用PA6-GF30進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及樣件制作。從軟件的材料庫中選擇相應(yīng)材料，對其默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行編輯，輸入定義的材料屬性，并將材料物理性能賦予進(jìn)氣歧管的三維模型。分析參數(shù)定義如表1所示。

表1　材料物理特性

1.2網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)定

利用前處理軟件HyperMesh軟件來建立進(jìn)氣歧管有限元模型，然后將有限元模型導(dǎo)入計算分析軟件Abaqus，并對其進(jìn)行邊界設(shè)定。

（1）網(wǎng)格劃分

將進(jìn)氣歧管原始數(shù)據(jù)劃分為二階10節(jié)點四面體的網(wǎng)格模型。四面體網(wǎng)格模型建立快捷，修改方便，還可對局部局域進(jìn)行細(xì)化加密處理，使網(wǎng)格質(zhì)量更優(yōu)，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。將進(jìn)氣歧管模型劃分為457 633個網(wǎng)格單元，885 247個節(jié)點；將進(jìn)氣歧管與節(jié)流閥體連接處的法蘭面進(jìn)行簡化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格模型

（2）邊界定義

在實際裝配中，進(jìn)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(jìn)氣歧管螺栓安裝孔處約束所有自由度。考慮到產(chǎn)品實際爆破試驗時環(huán)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(shù)據(jù)與試驗結(jié)果比對更加貼切。載荷施加的對象為進(jìn)氣歧管內(nèi)腔，基于某發(fā)動機在異常回火時，最高產(chǎn)生11 bar的高壓氣體，將載荷大小設(shè)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(jìn)氣歧管有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，計算得到應(yīng)力分布云圖（見圖2）。由圖2可以分析看出，進(jìn)氣歧管上殼體處多個氣道上應(yīng)力較集中，以及在各氣道之間的過渡彎道處應(yīng)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(yīng)力約為93 MPa），而且過渡彎道處應(yīng)力值更大（達(dá)到85 MPa），最大能夠承受10.7 bar的爆破壓力。

圖2　初始模型應(yīng)力云圖

（2）驗證CAE分析方法及模型的準(zhǔn)確性

本產(chǎn)品在開發(fā)初期沒有進(jìn)行CAE爆破強度分析，開完工裝樣件后，在爆破試驗中發(fā)現(xiàn)了爆破壓力值只有10.5 bar，低于目標(biāo)值。獲得CAE應(yīng)力分析結(jié)果之后，將數(shù)據(jù)同實際爆破試驗結(jié)果進(jìn)行了比對，兩項結(jié)果很接近。爆破試驗結(jié)果如圖3所示，上殼體中的部分結(jié)構(gòu)沿圖中的示意線條被撕裂。

圖3　爆破試驗結(jié)果示意圖

從爆破結(jié)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(yīng)力集中區(qū)域延伸，最終導(dǎo)致進(jìn)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(jié)果相對應(yīng)。

通過CAE計算分析云圖以及爆破試驗結(jié)果比對，確認(rèn)進(jìn)氣歧管有限元模型的建立符合實際，邊界約束及載荷設(shè)定合理。

2　產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化

2.1首次優(yōu)化及效果分析

基于首次CAE分析結(jié)果，已經(jīng)確認(rèn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)弱點位置，將通過以下兩種方案對進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高爆破強度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化一，在不影響歧管內(nèi)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(yīng)力集中；結(jié)構(gòu)優(yōu)化二，針對氣道表面應(yīng)力集中區(qū)域，通過增加加強筋（共四處，如圖4a）來強化結(jié)構(gòu)，提高承載能力。

圖4　分析結(jié)果

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

圖5　首次優(yōu)化分析結(jié)果

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

圖6　首次優(yōu)化后爆破試驗示意圖

從這次優(yōu)化的結(jié)果來看，爆破強度的確已經(jīng)滿足產(chǎn)品設(shè)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(jìn)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(jìn)氣歧管進(jìn)一步優(yōu)化。通常來說，進(jìn)氣歧管最薄弱處應(yīng)該是焊接筋，這是因為焊接筋處的材料經(jīng)過了二次熔化。但通過加大過渡區(qū)域的圓角半徑以及增加加強筋后，整個產(chǎn)品的弱點在殼體上，并非焊接區(qū)域，說明進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化的空間。

2.2二次設(shè)計優(yōu)化

仔細(xì)分析首次優(yōu)化的CAE分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氣道表面的應(yīng)力還是比較集中，尤其是最右側(cè)的一個氣道表面，其直接延伸至兩個氣道的過度區(qū)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(yīng)力分散開來，使整個殼體的強度也跟著提高。

對于第二次優(yōu)化思路，將添加加強筋后的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行預(yù)處理，施加邊界約束和載荷，通過Abaqus對其進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖7所示。從分析結(jié)果的應(yīng)力分布云圖來看，進(jìn)氣歧管上殼體的應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)分散。最大應(yīng)力不是在殼體上而是在焊接區(qū)域。從應(yīng)力云圖看，單殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于65 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用值93 MPa.焊接筋區(qū)域應(yīng)力分布在50～70 MPa，也小于焊接區(qū)域材料許用值75 MPa（進(jìn)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(qū)域的材料經(jīng)過摩擦生熱再次熔化，通常此區(qū)域結(jié)構(gòu)的抗爆破能力比非焊接區(qū)域要低。根據(jù)經(jīng)驗，焊接筋爆破強度大概為非焊接區(qū)域的80%，即大概在75 MPa）。由此，從分析數(shù)據(jù)可以判斷，焊接筋的區(qū)域會出現(xiàn)破裂。

圖7　二次優(yōu)化分析云圖

二次優(yōu)化的分析數(shù)據(jù)顯示，爆破強度比首次優(yōu)化結(jié)果又提升了近8%，達(dá)到了12.2，效果顯著。基于本次分析結(jié)果，也對產(chǎn)品進(jìn)行了實際驗證。產(chǎn)品從焊接筋位置（如圖8）破裂，與分析數(shù)據(jù)相對應(yīng)，爆破壓力提升到了12.5 bar.經(jīng)過兩輪優(yōu)化后，產(chǎn)品爆破壓力提升了許多（如圖9所示）。

圖8　二次優(yōu)化及爆破點示意圖

圖9　爆破試驗曲線

3　結(jié)束語

通過CAE模擬分析可以有效地預(yù)測進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)強度，準(zhǔn)確的評估爆破試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)薄弱點。基于CAE分析結(jié)果，對進(jìn)氣歧管結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，可以使產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計目標(biāo)值。

由于焊接致使材料的二次熔化，進(jìn)氣歧管結(jié)果薄弱點應(yīng)出現(xiàn)在焊接區(qū)域。如果CAE分析結(jié)果不在焊接區(qū)域，那么次進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)還具有優(yōu)化的空間。

通過不斷的總結(jié)和積累經(jīng)驗，合理定義計算邊界，確保了有限元分析模型的準(zhǔn)確性，使得CAE分析結(jié)果更加具備應(yīng)用于指導(dǎo)產(chǎn)品優(yōu)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(jìn)氣歧管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.裝備制造技術(shù)，2014，（12）：172-173.

［3］李欣，李力，黃鳳琴.基于Abaqus的汽油機進(jìn)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(fā)動機零部件設(shè)計開發(fā)。