呂東　陳濤　孟祥光　畢明昕

本文結(jié)合Abaqus和CFD分析軟件，采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法對某重型商用車發(fā)動機進氣管路進行了強度分析方法的研究，通過對危險應(yīng)力值和位移值等計算結(jié)果的對比分析，說明有限元模型與CFD模型的準(zhǔn)確性良好，流固耦合分析方法比均布載荷計算更接近實際工況。

發(fā)動機進氣管路的作用主要是盡可能多地為發(fā)動機提供純凈的空氣，一般包括空氣濾清器和進氣管路。發(fā)動機在進氣過程中會在進氣管內(nèi)形成一定的真空度，使發(fā)動機及其相關(guān)附件完成正常的工作，如果清潔端管道連接處漏氣或者進氣管破損，導(dǎo)致未經(jīng)過濾的空氣漏入進氣管并進入氣缸，對發(fā)動機的正常工作產(chǎn)生影響，使其工作性能下降。在設(shè)計過程中，由于布置空間有限，進氣管路連接管的形狀較復(fù)雜，如圖1所示。本文主要針對某重型商用車發(fā)動機進氣管路強度的分析方法進行研究，分別采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法進行強度與剛度計算，并將結(jié)果與試驗進行對比，為管道的流固耦合分析提供了理論依據(jù)。

一、進氣管路模型

1.真空試驗?zāi)Ｐ?/p>

本文采用實車1：1比例試驗?zāi)Ｐ?，試驗?zāi)Ｐ蛢H為進氣管路中間段連接管。試驗?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開孔進行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車工作極限工況。

2.幾何模型

本文采用實車1：1比例仿真模型，如圖1所示?？諝馔ㄟ^空氣濾清器清潔后經(jīng)過藍(lán)色管道部分進入管路系統(tǒng)，經(jīng)過中間段黑色連接管部分后達到管路出口，通過增壓器增壓進入發(fā)動機。

3.連接管有限元模型

連接管有限元計算模型如圖2所示。

4.CFD力學(xué)模型及控制方程

在某轉(zhuǎn)速的正常工況下，管道入口平均流速為13.78m/s，Ma=v/c=0.04，馬赫數(shù)較小，認(rèn)為流體密度為常數(shù)；弗勞德數(shù)較小，忽略重力的影響；從入口到出口，整個過程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響；由于只關(guān)注發(fā)動機在某轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定狀態(tài)的運轉(zhuǎn)，所以流動近似穩(wěn)態(tài)流動?；谝陨蠗l件，從圖1中可看出進氣管路結(jié)構(gòu)形式是不規(guī)則的，氣流在進氣系統(tǒng)中以復(fù)雜的湍流形式運動，對湍流的處理采用不可壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為半經(jīng)驗公式，其中湍流動能k方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經(jīng)驗公式導(dǎo)出的方程。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)將入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口設(shè)置為壓力出口。CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。

二、進氣管路仿真分析

本節(jié)對發(fā)動機進氣管路進行極限工況下的模型真空試驗、施加均布載荷強度計算和采用流固耦合方法的強度計算，并對各分析方法的計算結(jié)果進行對比分析。

1.模型真空試驗

本文采用實車1：1比例試驗?zāi)Ｐ?，試驗?zāi)Ｐ蛢H為進氣管路中問段連接管。試驗?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開孔進行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車工作極限工況。

在自由狀態(tài)下對管路進行真空試驗，當(dāng)真空壓力達到-30KPa時，測得連接管進氣口側(cè)被吸癟約4.6mm。

2.施加均布載荷強度分析

進氣管路均布載荷計算保持與試驗相同的加載條件，載荷工況為管道內(nèi)表面施加-30KPa的均布負(fù)壓。

通過計算可以得到進氣管路連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖4所示?？梢钥吹?，管道的變形與試驗相同，第一危險應(yīng)力點在支架處，為13.17MPa，第二危險應(yīng)力點在管道回彎處，為11.05MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.324mm、4.247mm和3.776mm。

3.流固耦合強度分析

極限工況下的強度分析采用流固耦合分析方法，CFD模型的出口壓力設(shè)置為-30KPa，進氣口設(shè)置工作工況中的最大流量，計算工況按照實際工作工況進行設(shè)置。

流固耦合是將CFD軟件STAR CCM+與有限元軟件Abaqus進行連接，各自進行單增量步的計算，在耦合面區(qū)域網(wǎng)格處進行數(shù)據(jù)交換，然后再各自進行下一輪的單增量步的計算，如此循環(huán)至計算收斂，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)交換，此方法能夠很好地解決流體載荷和結(jié)構(gòu)變形之間相互影響的問題。

計算前需對兩個軟件進行耦合設(shè)置，在Abaqus中對有限元模型設(shè)置材料屬性、邊界條件和分析步等，導(dǎo)出inp文件作為耦合輸入文件，在文件命令流的尾端添加耦合命令行，如圖5所示。

在STAR-CCM+中設(shè)置進出口參數(shù)、停止標(biāo)準(zhǔn)和傳遞場函數(shù)，導(dǎo)入的場函數(shù)為節(jié)點位移場，導(dǎo)出至Abaqus的場函數(shù)為壓力場，物理模型選擇Co simulation中的Abaqus協(xié)同仿真模塊，并設(shè)置耦合輸入文件路徑與Abaqus執(zhí)行文件路徑，如圖6所示。

通過計算可以得到進氣管路內(nèi)表面的壓力分布圖、速度流線圖和連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7所示。從速度流線圖可以看到，氣流在彎管處會形成漩渦，回彎處內(nèi)側(cè)氣流流速大于外側(cè)流速，并且在接近出口處的平直管路呈螺旋狀態(tài)，出口處有局部回流。從壓力分布圖可以看到，中間連接管段在回彎處，由于內(nèi)側(cè)氣流流速比外側(cè)快，所以內(nèi)側(cè)的壓力大于外側(cè)壓力。連接管的變形與試驗相同，第一危險應(yīng)力點在支架處，為13.0NVIPa，第二危險應(yīng)力點在管道回彎處，為11.01MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.310mm，4.232mm，3.771mm。

三、計算結(jié)果對比分析

1.試驗與均布載荷仿真計算結(jié)果對比

試驗數(shù)值與均布載荷仿真計算的位移結(jié)果對比如表1所示，以試驗值為基準(zhǔn)值，仿真計算中進氣口側(cè)的管道位移偏小7.67%，這是由于加工工藝的缺陷，導(dǎo)致管道在制造過程中，壁面厚度分布不均，分型面處偏厚，中間壁面偏薄，而有限元模型的壁面分布均勻，因此在相同壓力作用下，有限元模型的計算結(jié)果比試驗位移值偏小。

2.流固耦合計算結(jié)果討論

CFD仿真計算的優(yōu)點在于其可以模擬并可以直觀地看到氣流在管道內(nèi)的真實流動狀態(tài)，可以很好地模擬出沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現(xiàn)象，同時也可以模擬流體的速度變化和管道內(nèi)表面的壓力變化。

流固耦合是一種結(jié)合CFD仿真和靜力強度仿真的分析方法，在每個分析步內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)在氣流壓力作用下變形，而流場又直接受到結(jié)構(gòu)變化的影響，因此采用流固耦合方法進行發(fā)動機進氣管路的強度分析更加接近實際工況，而且得到的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確和精確。

流固耦合計算與均布載荷計算的結(jié)果對比如表2所示，以均布載荷計算結(jié)果為基準(zhǔn)值，可以看到，兩種分析方法的計算結(jié)果非常相近，對比值均在1%以內(nèi)，且流固耦合方法結(jié)果偏小。本文研究的管道模型變形量較小，因此流固耦合方法的計算結(jié)果沒有產(chǎn)生太大變化。

四、結(jié)語

（1）本文聯(lián)合Abaqus和CFD分析軟件，針對某重型商用車發(fā)動機進氣管路進行了強度分析方法的研究，主要進行了極限工況下模型真空試驗、施加均布載荷強度分析和流固耦合分析，通過對強度與剛度計算結(jié)果分析研究各計算方法的特點及優(yōu)劣性。

（2）通過數(shù)據(jù)對比分析顯示，在極限工況下，仿真結(jié)果較試驗值偏小，臺架試驗?zāi)Ｐ痛嬖诩庸すに嚾毕莺腿藶樵囼炚`差，而仿真模型更加理想化，故仿真強度分析可作為模擬臺架試驗的手段。

（3）流固耦合分析方法結(jié)合Abaqus和CFD軟件，能夠模擬并直觀地觀察氣流在管道內(nèi)的真實流動狀態(tài)，模擬氣流的沖擊、漩渦、螺旋及局部回流現(xiàn)象和流體的速度變化以及管道內(nèi)表面的壓力變化，同時在每個分析步內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)在氣流壓力作用下變形，而流場又直接受到結(jié)構(gòu)變化的影響，相比于均布載荷分析更接近發(fā)動機進氣管路的實際工作工況，得到的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確和精確。

（4）流固耦合分析方法可以作為發(fā)動機進氣管路強度分析的一種重要手段。