張貴強(qiáng)， 王榮吉, 陳潤(rùn)生, 謝 雷， 劉 杰， 王海耀

(1.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心, 上海，201201， 2.克康(上海)排氣控制系統(tǒng)有限公司，上海，200131)

熱構(gòu)耦合分析在一體式排氣歧管支架開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

張貴強(qiáng)1， 王榮吉1, 陳潤(rùn)生1, 謝 雷2， 劉 杰1， 王海耀1

(1.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心, 上海，201201， 2.克康(上海)排氣控制系統(tǒng)有限公司，上海，200131)

實(shí)際工作中遇到的許多一體式排氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)失效主要與支架失效有關(guān).通過(guò)低周疲勞理論知識(shí)，以及材料疲勞原理，采用CAE/試驗(yàn)的方式，對(duì)一體式排氣歧管進(jìn)行低周疲勞分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。 文中介紹了在設(shè)計(jì)前期低周疲勞造成的支架損壞的預(yù)測(cè)方法，并在后期試驗(yàn)中驗(yàn)證預(yù)測(cè)方法的有效性，從而將此方法運(yùn)用到排氣歧管支架的研發(fā)中.

支架設(shè)計(jì)；排氣歧管；低周疲勞；塑性應(yīng)變；熱應(yīng)力

近幾十年來(lái)，受能源日益枯竭、油價(jià)不斷上漲、全球變暖等問(wèn)題困擾，現(xiàn)代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要做到小排量，高性能，低油耗，低排放.排氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)中起著非常重要的作用， 不僅承擔(dān)了將高溫廢氣引出的功能，還需要為氧傳感器提供最佳安裝位置給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器提供精確的空燃比的信號(hào)，同時(shí)以最優(yōu)化方式將廢氣引入到三元催化器，滿(mǎn)足排放法規(guī)要求.支架是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)緊鄰發(fā)動(dòng)機(jī)的連接點(diǎn)，使用條件非常嚴(yán)酷.支架設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將影響整個(gè)歧管系統(tǒng)的耐久.目前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一體式排氣歧管在試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂失效，而解決辦法是，哪里出現(xiàn)失效，加強(qiáng)哪里的局部設(shè)計(jì).最終導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量增加，開(kāi)發(fā)成本增加，以及開(kāi)發(fā)周期拉長(zhǎng).為了解決以上的問(wèn)題，文中就支架的開(kāi)發(fā)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，材料的低周疲勞的原理，進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、試驗(yàn)，得到支架開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)耐久失效預(yù)測(cè)方法，有效的解決了排氣歧管系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境條件下的開(kāi)裂失效問(wèn)題.

1 一體式排氣歧管的低周疲勞分析

一體式排氣歧管集成了排氣歧管與三元催化器，它將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的尾氣排出發(fā)動(dòng)機(jī)并對(duì)其中的HC、CO、NOx進(jìn)行凈化.發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)啟動(dòng)、熄火將導(dǎo)致一體式排氣歧管系統(tǒng)在不斷變化的高低溫環(huán)境下工作.冷熱循環(huán)、最高溫度以及溫度變化率對(duì)于產(chǎn)品的壽命有直接影響，因此，對(duì)一體式排氣歧管系統(tǒng)進(jìn)行低周疲勞分析是十分必要的.

1.1 低周疲勞分析的理論基礎(chǔ)

產(chǎn)品在不同的冷熱循環(huán)下具有不同的熱疲勞壽命，熱疲勞壽命主要與熱循環(huán)的最高溫度、溫度差、高低溫駐留的時(shí)間以及溫度的變化率引起的熱應(yīng)力有關(guān).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元模型已經(jīng)能夠準(zhǔn)確的模擬分析熱疲勞循環(huán)及壽命.

熱構(gòu)疲勞的最主要裂紋擴(kuò)展模型有損傷累積、頻率分隔、延展性耗盡、應(yīng)變范圍分區(qū)、總應(yīng)變法、應(yīng)變能等[1]，每個(gè)模型在溫度和周期應(yīng)變領(lǐng)域都是十分有用的，并且有對(duì)應(yīng)的公式與實(shí)驗(yàn).

一體式排氣歧管系統(tǒng)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端系統(tǒng)，文中采用疲勞應(yīng)變法判斷結(jié)構(gòu)的低周疲勞壽命.根據(jù)材料在各種溫度下的屬性， 通過(guò)Coffin-Manson方程可以預(yù)測(cè)零部件的壽命[2].塑性應(yīng)變和疲勞壽命之間的關(guān)系為Coffin-Manson方程[1]

(1)

1.2 低周疲勞有限元分析

低周疲勞分析的步驟：①基于流體分析得出一體式排氣歧管內(nèi)表面熱交換系數(shù)，計(jì)算其溫度場(chǎng)；②將溫度場(chǎng)作為載荷加載到一體式排氣歧管模型，計(jì)算熱應(yīng)力、應(yīng)變;③將載荷降低到常溫，再計(jì)算熱應(yīng)力以及累加的應(yīng)變.基于設(shè)計(jì)需求，以上步驟重復(fù)3到5次，計(jì)算得到累加等效塑性應(yīng)變，以及冷態(tài)和熱態(tài)之間的應(yīng)變差值，與材料性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估.其中，低周疲勞的分析循環(huán)如圖1所示.

圖1 低周疲勞分析循環(huán)

針對(duì)某一體式排氣歧管總成，采用以上的方法進(jìn)行低周疲勞分析.排氣歧管本身采用二階四面體單元C3D10，三元催化器總成采用六面體單元C3D8，一體式排氣歧管系統(tǒng)的數(shù)模和材料清單如圖2和表1所示.

圖2 排氣系統(tǒng)模型

表1 排氣系統(tǒng)材料

No.零件材料1進(jìn)氣法蘭SPHC2歧管管道SUS4413進(jìn)氣端錐SUS4394氧傳感器座409Cb5殼體409L6催化器載體Ceramic7襯墊Ceramicfiber8出氣端錐SUS4399出氣法蘭409L10支架409L11出氣管道409L

采用ABAQUS有限元軟件，計(jì)算得到催化器溫度場(chǎng)分布如圖3所示，排氣的最高溫度位于催化劑，約為900 ℃，排氣歧管的溫度為660 ℃-720 ℃，支架的溫度約246 ℃.選用的材料能夠滿(mǎn)足溫度的使用要求.

同時(shí)也計(jì)算得到冷態(tài)和熱態(tài)的等效塑性應(yīng)變(PEEQ)[3]，如圖4所示，在支架折彎處存在大的PEEQ的累積.觀察各個(gè)循環(huán)之間應(yīng)變累積的程度變化，即最后的冷循環(huán)與熱循環(huán)兩步之間的PEEQ的差值，如圖5所示.

圖3 溫度場(chǎng)分布

圖4 第3循環(huán)熱/冷狀態(tài)的PEEQ分布

圖5 PEEQ差值分布

圖6顯示了3個(gè)熱循環(huán)和冷循環(huán)下支架上的PEEQ的差值，其結(jié)果小于2%，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，等效塑性應(yīng)變的增量逐漸減小.基于SS409材料的性能，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足材料無(wú)限壽命的設(shè)計(jì)要求.

圖6 3個(gè)循環(huán)的冷/熱狀態(tài)下的PEEQ

由于分析中存在一些假設(shè)和計(jì)算誤差，一體式排氣歧管的設(shè)計(jì)需要最終通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì).因此，文中基于分析方法以及最終的產(chǎn)品使用條件，設(shè)計(jì)了低周疲勞試驗(yàn).

2 低周疲勞試驗(yàn)

2.1 低周疲勞試驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證一體式排氣歧管的熱態(tài)壽命，設(shè)計(jì)了高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久要求.圖7表示了熱循環(huán)的控制圖，最高進(jìn)氣溫度為950 ℃，其溫度周期為12分鐘，總共進(jìn)行800個(gè)循環(huán)的試驗(yàn).

圖7 低周疲勞熱循環(huán)圖

為了模擬均勻分布的高速熱流，通過(guò)一個(gè)分流裝置，將高溫氣流均勻的分流到4個(gè)氣道中.監(jiān)測(cè)4個(gè)氣道上的溫度，以及4個(gè)氣道交匯處的溫度情況同時(shí)被監(jiān)控，具體的設(shè)置如圖8所示.

圖8 試驗(yàn)設(shè)置圖

2.2 低周試驗(yàn)后處理

如表2，樣件泄漏量和內(nèi)部載體的位移量均符合設(shè)計(jì)的要求.其中，泄漏量小于0.5 L/min，載體的位移量小于2 mm，這說(shuō)明支架的設(shè)計(jì)足以支撐排氣歧管結(jié)構(gòu).

另外，對(duì)排氣歧管結(jié)構(gòu)的流體雷諾系數(shù)[4]也作了進(jìn)一步分析，流體阻力系數(shù)滿(mǎn)足15%的變化之內(nèi)的設(shè)計(jì)要求.見(jiàn)圖9.

圖9 試驗(yàn)前后零件的雷諾系數(shù)圖

表2 樣件泄漏量和內(nèi)部載體的位移量

100KPa壓力下泄漏量/L載體位移/mm測(cè)試前測(cè)試后測(cè)試前測(cè)試后3A01863A01930000000.30.3

同時(shí)，為了驗(yàn)證零件的完整性，按照J(rèn)B/T4730.5-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)試驗(yàn)后的各個(gè)焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果符合I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即試驗(yàn)后的零件沒(méi)有任何損壞.零件檢測(cè)的焊縫位置如圖10所示.

圖10 試驗(yàn)后零件圖

2.3 低周試驗(yàn)結(jié)論

兩個(gè)零件進(jìn)行800循環(huán)的試驗(yàn)后，使用滲透法分析焊縫，所有焊縫均完整，結(jié)構(gòu)上亦無(wú)任何開(kāi)裂、破壞，表明試驗(yàn)后的零件的完整.因此，通過(guò)低周疲勞分析進(jìn)行的支架設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求.

3 結(jié) 論

一體式排氣歧管的支架設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，涉及到振動(dòng)學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)，文中從熱學(xué)方面闡述了支架設(shè)計(jì)的方法，以及通過(guò)相應(yīng)的低周疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì).今后還需要對(duì)高周疲勞、振動(dòng)、預(yù)裝應(yīng)力、結(jié)構(gòu)耐久等方面做進(jìn)一步的研究，從而完全揭開(kāi)排氣歧管支架設(shè)計(jì)的物理原理，更好的為汽車(chē)，特別是汽車(chē)動(dòng)力總成方面做出更大的貢獻(xiàn).

[1] Zhuag W Z, Swansson N S，Thermo-mechanical fatigue life prediction: a Critical review; DSTO-TR-0609 [R] Australia: Aeronautical and maritime Research Laboratory,1998.

[2] Dowling N E.Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue[M].3nd ed. U.S. Pearson Prentice Hall,2009.

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[4] Sinnott R K.Chenmical engineeing design[M].4nd ed. Elsecier,2009.

Application of Thermo-mechanical Simulation in Development of Integrated Exhaust Manifold Bracket

ZHANG Gui-qiang1， WANG Rong-ji1, CHEN Run-sheng1, XIE Lei2， LIU Jie1， WANG Hai-yao1

(1.Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai, 201201， 2.Katcon (Shanghai) Exhaustion Control Systems Ltd.，Shanghai, 200131)

Many integrated exhaust manifold damaged during the engine durability test, and the main reason of the parts failure was traced to its bracket structure. With the help of both the Low cycle failure theory and the metal material fatigue principle, the corresponding analysis and test verification of the manifold were carried out. The method to predict the damage of the bracket before strength design was introduced, and the validity of the method was verified in the later bench test. The method can be applied to the development of the integrated exhaust manifold bracket.

Bracket design, Exhaust manifold, Low cycle failure, Plastic strain, Thermal stress

1009-4687(2014)04-0058-05

2014-12-24

張貴強(qiáng)(1979-)，男，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)及項(xiàng)目管理.

U467.4+8

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