爆破強度分析在塑料進氣歧管設計中的應用

馬百坦，蔣一丹

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

近年來，隨著國家排放法規的日益嚴苛，如何在保證發動機動力性的前提下降低發動機油耗已成為內燃機行業的重要研究課題。實踐表明，輕量化是降低排放、提高燃油經濟性的最有效措施之一。隨著新材料的發展與應用日趨成熟，為了實現整機的輕量化目標，越來越多的金屬零部件被塑料件取代。在汽油發動機輕量化設計中，塑料化普及率最高的部件就是進氣歧管，PA是目前國內外眾多汽油機生產廠家的首先材料。

進氣歧管安裝在氣缸蓋上同時為周邊附件提供部分固定點，因此要能承受汽車發動機振動負荷、附件慣性力負荷及進氣壓力脈沖負荷等，還要保證在發動機發生異常回火時不被高壓脈動壓力爆破，因此要求塑料進氣歧管有較高的強度[1]。塑料進氣歧管多數為分體注塑成型后再通過振動摩擦焊接制造而成，焊接筋的強度比主體部分弱，為了保證塑料進氣歧管的設計可靠性能夠滿足使用要求，縮短設計周期和減少開發成本，在設計開發過程中進行爆破仿真分析就尤為重要。目前行業內對爆破分析應用較少，零件量產后出現無法承受發動機極限工況而出現開裂漏氣現象，帶來巨大的經濟損失。本文旨在對塑料進氣歧管總成的爆破分析過程進行詳細說明，建立科學的設計初期的質量保障方法和明確的設計優化方向。

1 網格模型建立

1.1 產品模型處理

為了利于網格劃分和材料屬性定義，去除產品上對爆破分析無意義的金屬鑲嵌件和橡膠密封圈等結構，保留進氣歧管四個塑料殼體部分，用于有限元網格模型的劃分。

1.2 網格劃分

將處理好的模型導入到Hypermesh中，進行網格劃分。進氣歧管分為上殼體、中殼體-01、中殼體-02、下殼體四部分，分別采用四面體單元劃分，網格基礎尺寸為3 mm。進氣歧管四個殼體連接的焊接筋部位用采用塑料壓融連接，使用RBE2單元模擬[2]。進氣歧管網格模型如圖1所示。

圖1 進氣歧管網格模型

1.3 材料特性

該進氣歧管使用的材料是PA6+GF30，計算所需的材料參數如表1所示。

表1 材料參數

考慮進氣歧管的工作環境溫度通常能達到120~130℃，塑料的應力應變受溫度影響較大，需要結合應變曲線選擇合理的應力限值。PA6+GF30材料的應力應變曲線如圖2所示。

圖2 進氣歧管材料應力應變曲線圖

根據von Mises屈服準則[3]，在一定的變形條件下，當受力物體內一點的應力偏張力的第二不變量J2′達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。即用主應力表示為：

式中，σs——材料的屈服點；K——材料的剪切屈服強度。

與等效應力比較，可得

（σ1- σ2）2+（σ2- σ3）2+（σ3- σ1）2=2σ32=6K2

故von Mises屈服準則也可描述為：當某一點應力應變狀態的等效應力應變達到某一與應力應變狀態有關的定值時，材料就屈服。von Mises應力值為：

其中 a1、a2、a3分別指第一、二、三主應力。

綜合應力應變曲線和爆破試驗的經驗數據，此分析進氣歧管主體的von Mises應力值設為：在室溫（23℃）條件下，材料最大應力值的85%，即115×0.85=97 MPa；殼體間焊接筋處應力值設為：在室溫（23℃）條件下，材料最大應力值的65%，即115×0.65≈ 75MPa。

1.4 邊界條件

邊界條件包括約束邊界和載荷邊界。邊界條件的施加使用Abaqus進行。

約束邊界：約束進氣歧管與缸蓋連接處8個安裝孔的6個方向的自由度。

施加載荷：根據項目開發需求，針對發動機的極端回火工況，進氣歧管能夠承受的爆破壓力需大于6個大氣壓，故在進氣歧管氣道內壁施加0.6 MPa的壓力。

2 計算分析

2.1 求解計算

根據前期建立的有限元模型、施加的邊界條件及材料參數，利用Abaqus進行求解計算得到進氣歧管各部分的應力分布云圖（見圖3~圖6）。

圖3 上殼體應力分布云圖

圖4 中殼體-01應力分布云圖

圖5 中殼體-02應力分布云圖

圖6 下殼體應力分布云圖

2.2 結果分析

由圖3、4、6可知，進氣歧管這三個殼體的在0.6 MPa壓力下的最大應力值均小于97 MPa，滿足可靠性要求。由圖5可知，中殼體-02本體及其焊接筋在0.6 MPa的壓力下最大應力值分別達到了187 MPa和117 MPa，超過材料的許用應力值近一倍，存在極大的炸裂失效風險，需要進行優化調整。

從結構上可以看出，中殼體-02和下殼體的結構較類似，最大的差異點在于下殼體分布了大量的加強筋而中殼體-02上大面積無加強筋，而最大的形變區域也是出現在無加強筋的區域。由此初步判斷加強筋的布置對提升其結構強度有較大的幫助作用，而焊接筋處較大的應變是由中殼體-02較大的變形帶來的，如在此殼體上合理布置加強筋可有效避免以上失效風險，提升設計可靠性。

3 設計優化

3.1 結構優化

根據以上計算分析提出的改進建議，在中殼體-02上增加加強筋。優化前后對比如圖7所示。

圖7 結構優化對比圖

3.2 計算分析

對于優化后殼體重新劃分網格、施加邊界條件，各項參數保持與原參數一致，再次對優化后的進氣歧管進行求解計算。得到的應變分布結果如圖8所示。

圖8 優化后應力分布圖

由計算分析結果可知，優化后的中殼體-02的最大應力由原來的187 MPa減小到87 MPa，焊接筋處的應力值也由原來的117.7 MPa減小到69.7 MPa。進氣歧管整體的應力分布均滿足設計可靠性目標要求。可見在中殼體-02上增加加強筋極大的提升了設計可靠性，通過爆破分析給出的結構優化建議對設計具有較大的指導作用。

4 試驗驗證

制作試驗工裝板模擬發動機缸蓋，將進氣歧管安裝在工裝板上。其它各傳感器、管接頭出口用特制工裝堵住，并保證完全密封。在工裝板上預留進氣加壓口和壓力監測點。

通過加壓口向進氣歧管內部持續加壓，直至歧管炸裂失效。記錄整個過程的壓力變化曲線，得出最終使進氣歧管爆破的壓力值，計算其安全系數。本產品三個樣件的試驗結果見圖9（注：試驗需要在具有安全防護的試驗設備中進行，避免進氣歧管爆破造成人身傷害）。

圖9 樣件測試結果

根據三個樣件的動態爆破試驗結果可以看出，爆破壓力分別是 0.991 MPa、0.915 MPa和 0.935 MPa，均大于設計要求的0.6 MPa，且安全系數均在1.5~1.6之間。爆破仿真分析結果具有較高的可信度，對產品的可靠性設計具有較大的參考意義。

5 結束語

通過利用FEA軟件對進氣歧管進行爆破分析，能夠直觀地看出進氣歧管在一定壓力下的應力分布情況，進而幫助設計師判斷進氣歧管的設計是否能夠滿足設計可靠性要求，為提升可靠性提供一個明確的優化方向。爆破仿真分析在進氣歧管設計中的應用，能夠顯著地縮短進氣歧管的設計開發周期，并能有效地避免因設計強度不足而導致的模具變更、報廢等帶來的成本浪費。