基于Abaqus的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管可靠性分析

摘要：針對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用排氣歧管，利用HypemLab和HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用FIRE流體軟件對(duì)排氣歧管進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算。將溫度分析結(jié)果、各相關(guān)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(yùn)用流、固耦合方法及傳熱學(xué)理論計(jì)算排氣歧管的熱邊界條件，計(jì)算出排氣歧管在不同載荷工況下的溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布情況。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入疲勞分析軟件FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進(jìn)行高周疲勞分析并求解，獲得排氣歧管的熱疲勞強(qiáng)度性能、排氣歧管墊片線壓、緊固螺栓衰減等數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)通過(guò)CAE仿真分析的零件進(jìn)行試制并裝配樣機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。排氣歧管通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)，且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，表明此CAE仿真計(jì)算方法可較好的預(yù)估排氣歧管熱強(qiáng)度性能。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排氣歧管；熱疲勞；強(qiáng)度

0" "引言

排氣歧管作為柴油機(jī)的重要部件，承受著來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫廢氣沖擊，極易發(fā)生熱疲勞破壞。同時(shí)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(dǎo)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(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的可靠性能，要求排氣歧管具有良好的熱強(qiáng)度[1-3]。

國(guó)外MARTINS R F等人對(duì)排氣歧管的熱疲勞計(jì)算方法進(jìn)行了研究，用排氣管材料在高溫?zé)彷d荷的循環(huán)使用條件下產(chǎn)生等效塑性應(yīng)變，作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用以評(píng)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(duì)高鎳柴油機(jī)與渦輪增壓汽油機(jī)排氣歧管的熱疲勞采用流、固耦合方法，通過(guò)CAE模擬熱負(fù)荷，獲得熱應(yīng)力分布圖及應(yīng)力安全系數(shù)分布，利用安全系數(shù)法來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)其疲勞壽命。由此看來(lái)，利用CAE仿真分析技術(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的高溫強(qiáng)度及可靠性進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)，已經(jīng)提升發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)可靠性的一個(gè)重要方向。

1" "柴油機(jī)排氣歧管方案

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管結(jié)構(gòu)如圖1，排氣歧管緊固螺栓編號(hào)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(fēng)冷卻螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文根據(jù)可靠性要求對(duì)排氣歧管進(jìn)行熱強(qiáng)度分析。

2" "模型及邊界條件

2.1" nbsp; 計(jì)算分析模型

根據(jù)分析需要將排氣歧管相關(guān)聯(lián)的組件進(jìn)行網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所示。

利用FIRE流體軟件計(jì)算內(nèi)流場(chǎng)的溫度，通過(guò)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(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，墊片采用DC3D15單元，實(shí)體采用DC3D10單元，靜力學(xué)計(jì)算時(shí)，墊片采用GK3D12M單元，實(shí)體采用C3D10M單元。有限元計(jì)算模型如圖3所示。

2.2" " 排氣歧管材料參數(shù)

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

2.3" " 邊界條件

溫度場(chǎng)分析的載荷步如表6所示，時(shí)間單位為s。排氣歧管內(nèi)壁及缸蓋排氣道內(nèi)壁相關(guān)溫度和換熱系數(shù)由流體計(jì)算所得。其中缸蓋水套流體計(jì)算所得參數(shù)如下：怠速點(diǎn)溫度75℃，標(biāo)定點(diǎn)溫度102℃。排氣歧管管和缸蓋外壁面參數(shù)如下：換熱邊界溫度75℃。輻射邊界溫度30℃，輻射系數(shù)為0.2。

將溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為溫度邊界輸入，施加標(biāo)定工況的溫度場(chǎng)，加載螺栓軸力。溫度場(chǎng)分析不施加位移約束。靜力分析時(shí)，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(diǎn)約束左右方向（X向）、缸蓋底面前后中間分割線上若干點(diǎn)約束前后方向（Y向），約束邊界圖5所示。

3" "計(jì)算結(jié)果

3.1" " 溫度場(chǎng)及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)流場(chǎng)邊界條件，運(yùn)用流固耦合方法及傳熱學(xué)理論，計(jì)算排氣歧管的熱邊界條件并將其映射到排氣歧管結(jié)構(gòu)上，然后計(jì)算可靠性較高的排氣歧管溫度場(chǎng)。圖6、圖7為標(biāo)定轉(zhuǎn)速下排氣歧管及其內(nèi)壁面溫度場(chǎng)分布云圖。

然后將溫度場(chǎng)作為熱載荷計(jì)算排氣歧管的熱應(yīng)力熱變形。本計(jì)算中，考慮了排氣歧管附件如增壓器等的振動(dòng)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(chǎng)和加速度共同作用下排氣歧管應(yīng)力分析如圖8所示。

3.2" " 疲勞結(jié)果

將應(yīng)力分析結(jié)果文件導(dǎo)入到疲勞軟件FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進(jìn)行高周疲勞求解，得出排氣歧管應(yīng)力集中部位和相關(guān)的疲勞安全。排氣歧管高周疲勞安全系數(shù)1.52，大于許用值1.2，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3" " 排氣歧管密封性計(jì)算結(jié)果

螺栓裝配工況、標(biāo)定工況及怠速工況下，排氣歧管墊片密封區(qū)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(jì)算結(jié)果

排氣歧管各工況線壓結(jié)果匯總?cè)绫?所示。排氣歧管墊螺栓軸力衰減結(jié)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(yàn)證結(jié)果

試制相應(yīng)的零件并制定了發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊可靠性試驗(yàn)及500h可靠性驗(yàn)證，通過(guò)了《5000次冷熱沖擊可靠性試》、《500h收割機(jī)工況可靠性試驗(yàn)》的驗(yàn)證[7-8]，無(wú)排氣歧管故障發(fā)生，排氣歧管通過(guò)了通過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

5" "結(jié)論

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管，利用流體軟件對(duì)排氣歧管進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，將溫度結(jié)果作為邊界，計(jì)算排氣歧管在載荷布工況下溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布情況，得出排氣歧管的熱疲勞強(qiáng)度性能和排氣歧管墊片的線壓、緊固螺栓軸力衰減結(jié)果。排氣歧管高周疲勞安全系數(shù)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(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧國(guó)紅，李華彬，楊鄂川，等.緊耦合式排氣歧管熱應(yīng)力分析方法研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018（4）：41-47.

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

[3] 樊明，范習(xí)，姚煒，等.基于Abaqus的某柴油機(jī)排氣歧管熱固耦合分析[J].計(jì)算機(jī)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(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2014，36（2）：190-193，202.

[6] 劉凱敏，楊靖，張思遠(yuǎn)，等.增壓直噴汽油機(jī)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(jī)工況可靠性試驗(yàn)報(bào)告[R].玉林：玉柴工程研究院.

[8] 應(yīng)希俄.YCF36140-T400 （360000）-2003 5000次冷熱沖擊可靠性試驗(yàn)報(bào)告[R].玉林：玉柴工程研究院.