基于Fluent與ABAQUS的排氣歧管溫度場及熱應力分析

霍小臭，潘效龍

(濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261000)

0 引言

排氣歧管直接與氣缸體相連，是發動機排出的高溫廢氣最先通過的部件。由于高溫和溫度分布而產生的熱應力可能會造成排氣歧管出現裂紋，從而導致漏氣，使發動機出現故障，影響發動機的排放性能。對于渦輪增壓機型，還會導致發動機的動力性能降低[1-2]。采用流固耦合的方法，可以較為準確地預測零部件由于流動換熱和導熱產生的溫度分布，從而計算零部件內部存在的熱應力。在發動機排氣歧管的設計開發中，對排氣歧管的流場和熱應力進行分析，可以預測排氣歧管在工作過程中可能出現的問題，并為后續的設計和改良提供參考[3]。

本文作者采用CFD分析軟件Fluent計算了排氣歧管的內流場、溫度分布和對流換熱系數，通過映射數據將計算結果導入Abaqus進行溫度場及熱應力計算，為后續排氣歧管的設計開發提供參考。

1 排氣歧管內流場計算

1.1 分析模型及網格

模型采用某四缸十六氣門增壓中冷柴油發動機，利用Hypermesh導入模型，提取排氣歧管內流道，進行網格劃分，排氣歧管內流場計算網格如圖1所示，網格總數為27.9萬，網格尺寸為3 mm，內流道近壁面處設置3層邊界層，邊界層網格尺寸為0.8 mm。

圖1 排氣歧管內流道網格模型

排氣歧管氣體流動換熱計算采用的邊界條件來源于一維熱力學計算，在轉速為3 200 r/min的超負荷工況下排氣歧管出口氣體溫度的質量加權平均值為962 K，一個工作循環中，曲軸轉角對應的排氣歧管入口、出口和EGR取氣口的溫度和質量流量變化曲線如圖2所示。

圖2 流場計算邊界條件

1.2 計算結果

內流場計算采用瞬態計算，在Fluent軟件中，將圖2中的邊界條件以Profile文件的形式導入，從而實現各進出口邊界的溫度、流量隨時間變化。共計算6個工作循環，即曲軸轉角從0°～4 320°，前5個循環用于使計算收斂，從最后一個循環取時均值，得到的流場用于后續步驟的計算。湍流模型采用標準k-ε方程，壁面區域采用標準壁面函數，時間項采用一階隱式格式離散，壓力與速度耦合使用SIMPLE算法。最終獲得的排氣歧管內流道的溫度及換熱系數如圖3所示，最高溫度出現在出口和EGR取氣口處，即各進氣口的交匯處。將結果以ASCII格式導出，經過單位變換后，用于接下來的Abaqus分析。

圖3 排氣歧管內流場計算結果

2 排氣歧管溫度場及熱應力計算

2.1 排氣歧管溫度場計算

溫度場計算的分析模型包括排氣歧管和部分氣缸蓋、EGR取氣口、渦輪，排氣歧管內壁網格與內流場計算的壁面網格完全一致，其余網格尺寸為5～7 mm，排氣歧管的單元類型為C3D10，螺栓及墊片的單元類型為C3D6，其余為C3D4，網格總數約51萬個，網格模型如圖4所示。

圖4 熱應力計算模型及網格

將Fluent計算中得到的排氣歧管內流場通過ASCII格式的映射數據導入Abaqus，排氣歧管、渦輪、EGR取氣口外壁采用對流換熱條件，環境溫度為348 K，對流換熱系數為5 W/(m2·K)，排氣歧管材料采用ZG230-450，加載螺栓預緊力為30 N·m，螺栓螺紋與氣缸蓋螺孔螺紋創建綁定，其余接觸面均為摩擦接觸。計算得到的排氣歧管溫度如圖5所示，由圖可知，最高溫出現在出口處附近，約為790 ℃，低于鑄鋼可承受溫度850～900 ℃[4]。保存計算結果，供最終的熱應力計算使用。

圖5 排氣歧管溫度分布

2.2 排氣歧管熱應力計算

排氣歧管內流道結構復雜，不同部分受熱程度不同，存在較為明顯的溫度分布，內流道壁面直接與高溫廢氣接觸，溫度較高；而外表面與空氣接觸，溫度相對較低；由于外在約束和各部分間的相互約束，無法自由膨脹，從而產生熱應力[5]。文中計算了只有溫度場作用時排氣歧管的熱應力。將溫度場計算的結果作為邊界條件，計算排氣歧管在溫度場作用下的熱應力，結果如圖6所示。

圖6 排氣歧管應力分布

由圖可見，在螺栓孔附近仍有應力集中區域，且應力已經超出材料的屈服極限，因此，在發動機超負荷運行時，排氣歧管的該部位可能出現開裂失效，需要進行加強[6]。

3 結論

(1)使用Fluent軟件對排氣歧管的內流場進行了瞬態計算，并通過ASCII格式的映射數據實現了與Abaqus的耦合，同時對排氣歧管的溫度場引起的熱應力進行了預測；

(2)通過計算，最高溫出現在出口處附近，約為790 ℃，低于鑄鋼可承受溫度850～900 ℃，滿足要求。

(3)通過對排氣歧管在溫度場作用下熱應力的計算，發現在螺栓孔附近仍有應力集中區域，且應力已經超出材料的屈服極限，可能存在開裂失效風險。