基于FEA與CFD的排氣歧管開裂問題聯合研究

高維進，陳婷，徐穎韜

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330001；2.江西經濟管理干部學院，江西南昌 330088)

0 引言

為了滿足不斷提升的節能減排法規要求，柴油發動機的增壓程度隨著對EGR率要求的提高而不斷提高，進而使得排氣歧管的熱負荷也逐漸提高。排氣歧管的工作條件非常惡劣：它的內表面和高溫燃氣相接觸并受脈動燃氣流動的強烈沖刷，因而具有很強的對流換熱；而外表面則以弱對流和熱輻射向環境散熱；由于增壓發動機排氣側部件多且布置空間有限，排氣歧管外表面向環境散熱受到很大制約，內外兩側散熱能力的不匹配，使其金屬溫度非常高，約700 ℃或更高。隨著發動機性能的不斷提升及強化程度的不斷提高，增壓器技術的不斷進步，有關排氣歧管尤其是開裂問題的相關報道越來越多[1-6]，采用數值模擬的方法，評估排氣歧管的安全性，已受到國內外相關學者、相關主機廠和相關整車廠的日益重視[4-6]。

圖1為某直列6缸增壓柴油機在發動機額定功率耐久試驗中遇到的排氣歧管開裂失效，裂紋位置在歧管和總管的兩個結合處。經排查，其零件材料及鑄造質量均合格，本文作者基于Abaqus分析軟件，采用FEA與CFD相結合的方法，對上述臺架耐久開裂樣件進行了詳細深入分析，并給出了針對性的且臺架驗證有效的結構優化建議。

圖1 開裂失效及具體位置

1 基于Abaqus的FEA-CFD耦合分析

排氣歧管的熱應力-應變分析是一個復雜的物理問題，涉及熱力學、流體力學、傳熱學和材料力學，直接采用試驗的方法對上述熱應力-應變問題進行研究，費時、費力、難度大且不能對相關機制進行深入剖析。因此，對于排氣歧管的熱應力-應變分析，數值模擬已逐漸被采用。文獻[7]對排氣歧管在熱力耦合應力作用下產生的熱機械疲勞失效的理論進行了闡述。文獻[8]給出了對排氣歧管的FEA-CFD耦合(國內文獻也稱固流耦合)方法或流程(圖2)，文中的分析也主要是基于該方法進行的。

圖2 流固耦合分析流程

文中建立的熱應力-應變分析模型分為3個子分析模塊，分別為1D整機熱力學分析模型，排氣歧管內腔3D-CFD分析模型及基于Abaqus的3D-FEA模型。首先進行發動機的1D熱力學計算，為3D-CFD模型提供所需的各缸排氣歧管流動上下游的邊界條件。然后進行3D-CFD計算，并通過映射功能(AVL-FIRE和Abaqus)，將近壁面燃氣的相關計算結果映射到3D-FEA上。3D-FEA計算可得到第一輪歧管本體的詳細溫度數據，利用該溫度數據可對3D-CFD初始的換熱條件進行修正，進而可更為精確地評估高溫燃氣對歧管本體的影響。文中所建立的溫度場分析模型經過兩輪FEA-CFD迭代計算后內流場的對流邊界基本趨于穩定。

2 排氣歧管本體溫度場計算

2.1 排氣歧管溫度場分析的3D-FEA模型

3D-FEA模型如圖3所示，模型共有網格單元963 501個，節點1 470 267個。

圖3 排氣歧管3D-FEA模型

2.2 排氣歧管的傳熱邊界條件

對于流體和固體間發生熱交換的情況，在流體和固體的交界面處，具體的傳熱邊界主要總結如下：(1) 溫度或溫度分布；(2) 熱流密度或熱流密分布；(3) 對流換熱。對于當前的歧管開裂問題，采用對流換熱的方法進行詳細分析。排氣歧管為高溫件，輻射換熱是主要的散熱方式，由于外壁溫度遠高于環境溫度，排氣歧管對周邊零部件的熱輻射換熱假設為單向熱輻射。

2.3 排氣歧管溫度場分析

經過兩輪FEA-CFD的迭代計算，整個歧管不同部位的溫度分布如圖4所示。從圖中可以看出，排氣總管內壁面部位的溫度是高于各缸歧管的，是最高的。造成這種溫度分布的原因如下：各缸排氣歧管在發動機的一個工作循環中有近3個沖程對應的時間里由于排氣門處于關閉狀態，管壁不受高溫燃氣直接沖刷，而排氣總管在整個工作循環中受到近似連續的分別來自各缸的高溫燃氣沖刷換熱，故其相應的壁溫也就比各缸排氣歧管高。

圖4 整個歧管不同部位的溫度分布

圖5展示了排氣歧管本體溫度場分析值與試驗測試結果的對比情況(額定功率負荷點)，其中最大值相差16 ℃(分析值較低)，誤差率為2.7%，可以認為兩者基本一致，證明該分析方法具有相當的可靠性，可以作為后續熱應力-應變分析的溫度場邊界。

圖5 FEA-CFD的模型驗證

3 排氣歧管熱應力-應變分析

發動機的耐久試驗，通常在額定功率點和怠速點交變進行(跑完一次額定功率點及怠速點定義為一個工作循環)，據此制定熱應力-應變分析工況，其中額定功率點對應的狀態為熱態，停機冷卻到環境溫度時對應的狀態為冷態，依次經歷一次熱態—冷態為一個工作循環，如圖6所示，整個分析共需兩個循環。

圖6 工作循環的定義

圖7、8分別為熱態、冷態開裂區及其附近區域的應力分布。由圖可知，在額定功率點對應的熱態工況下，在開裂區域及其附近區域，壓應力是主要的作用形式，尤其在開裂區情況更為惡劣；在停機冷卻到環境溫度時對應的冷態工況下，拉應力是主要的作用形式，同樣在開裂區情況更為惡劣。耐久試驗中連續且大幅的拉應力和壓應力的頻繁切換，初步分析，將會對當前的失效問題產生重要影響。

圖7 熱態時的應力分布

圖8 冷態時的應力分布

圖9所示為開裂區及其附近區域的PEEQ分布，很明顯可以看到，該處的塑性變形量相對其他部位較大，易于發生熱機疲勞失效。綜上，根據排氣歧管開裂位置的應力和應變條件可以推斷，排氣歧管開裂是由熱機械疲勞所致。

圖9 開裂區的PEEQ分布

4 排氣歧管的改進設計

基于FEA-CFD的分析預測，為改善優化當前的開裂問題，對圖10所示的3個部位進行了結構優化：加大位置1和位置2處的過渡半徑；位置3處的加強筋擴大到排氣進口法蘭處，提升開裂區剛度。

圖10 開裂區改進設計方案

基于上述改進設計，重新進行FEA-CFD分析，如前所述，通過對比原方案與改進設計方案在開裂區PEEQ的大小，來確定設計的優劣。圖11給出了改進設計方案的PEEQ分布，通過與原方案的PEEQ對比可知，其數值大小與分布區域都有較大的減少，其中最大值由2.2%降低到1.2%。基于上述分析，采用圖10所示的設計方案，進行樣件的加工、樣機的裝配及重新的耐久試驗，結果顯示：優化后的排氣歧管順利通過了發動機臺架的各項考核，具有較好的耐久性能。

5 結論

(1)FEA-CFD耦合迭代得到的歧管溫度分布具有較高的精度，可以作為后續熱應力-應變分析的溫度場邊界。

(2)根據排氣歧管熱應力-應變分析結果，認為其開裂原因是熱力耦合應力作用導致的熱機械疲勞失效。

(3)優化后的排氣歧管順利通過了發動機臺架的各項考核，具有較好的耐久性能，這證明了基于Abaqus分析軟件的FEA-CFD耦合的熱應力-應變分析方法對排氣歧管失效機制做出的推論是合理的。