唐鵬，付景順

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

排氣歧管熱負(fù)荷研究

唐鵬，付景順

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

由于排氣歧管承受著來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)交變的高溫載荷，復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)造成局部溫度過(guò)高，進(jìn)而會(huì)造成排氣歧管的局部變形，這樣有可能導(dǎo)致排氣歧管出現(xiàn)漏氣或者開(kāi)裂的情況?；谏鲜雠艢馄绻艽嬖诘娜毕?，文章以某車(chē)型1.6L排量發(fā)動(dòng)機(jī)四合一結(jié)構(gòu)形式的排氣歧管，運(yùn)用流固耦合理論研究其工作時(shí)所承受的高溫載荷。在ANYSY Workbench平臺(tái)中將排氣歧管內(nèi)部流體與其結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合傳熱計(jì)算，計(jì)算得到兩種安裝約束條件下的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、熱變形的數(shù)值分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)排氣歧管的熱疲勞失效進(jìn)行綜合分析，預(yù)測(cè)了其熱疲勞壽命。

排氣歧管；流固耦合；熱負(fù)荷；疲勞壽命

CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-56-03

1、概述

排氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的重要零部件之一，歧管本身結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能對(duì)排氣效果有著很大的影響。行進(jìn)的汽車(chē)常常會(huì)使得排氣歧管處在一個(gè)溫度冷熱變化的工作環(huán)境（溫度波動(dòng)200°c到1000°c），交變高溫載荷會(huì)使排氣歧管產(chǎn)生塑性變形[1]，所以利用流固相耦合的方法對(duì)排氣歧管進(jìn)行熱負(fù)荷模擬計(jì)算與疲勞壽命分析預(yù)測(cè)是很有必要的。首先利用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS Meshing把排氣歧管內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格模型和排氣歧管結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型建立出來(lái)；接著運(yùn)用Fluent流體力學(xué)分析軟件和Steady-State Thermal工具，通過(guò)給定的煙氣邊界條件將排氣歧管內(nèi)部流體與其結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合傳熱計(jì)算，根據(jù)已分析得到的內(nèi)壁面換熱系數(shù)、內(nèi)壁面流體溫度,研究排氣歧管在不同安裝約束條件下的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布、熱應(yīng)變分布以及熱變形，并對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。

2、有限元模型及熱邊界條件

2.1 內(nèi)部流體有限元模型

對(duì)于內(nèi)部流體模型的獲取在Design Modeler中采用實(shí)體填充Fill命令，選中排氣歧管全部?jī)?nèi)壁面以獲得無(wú)縫銜接的流體域模型。對(duì)于內(nèi)部流體模型網(wǎng)格劃分本文采用ICEM CFD方法劃分，以協(xié)調(diào)分片算法（Patch Conforming）劃分四面體網(wǎng)格，平滑度選用中級(jí)，內(nèi)部流體有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。氣體流動(dòng)為5500r/min穩(wěn)態(tài)工況下不可壓縮非定常湍流，煙氣進(jìn)口質(zhì)量流量邊界條件，煙氣出口壓力邊界條件，計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，排氣歧管初始溫度293K，壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.2 排氣歧管有限元模型

對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)熱分析網(wǎng)格劃分在ANSYS Mechanical環(huán)境下進(jìn)行。將模型導(dǎo)入Steady-state thermal模塊Design Modeler中，對(duì)流體域模型抑制不參與網(wǎng)格劃分，對(duì)排氣歧管模型幾何邊界簡(jiǎn)化處理,采用自動(dòng)網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格。

圖1 內(nèi)部流體有限元模型

圖2 排氣歧管有限元模型

2.3 熱邊界條件

汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)，高溫尾氣不斷地從內(nèi)燃機(jī)排放給排氣歧管，在此過(guò)程中，一方面由于高溫尾氣與室溫下的排氣歧管有溫度差異，導(dǎo)致管壁內(nèi)部附近區(qū)域氣體不斷地將熱量傳導(dǎo)給內(nèi)壁面，另一方面排氣歧管外壁處在自然環(huán)境中，大部分熱量也不斷地自然對(duì)流傳給周?chē)諝猓俨糠譄崃總鲗?dǎo)、輻射給周?chē)橘|(zhì)[2]。本文對(duì)于排氣歧管內(nèi)外環(huán)境的熱傳遞形式考慮以熱力學(xué)第一定律導(dǎo)熱第三類(lèi)邊界條件—壁面對(duì)流傳熱（即與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)已知），來(lái)單向耦合求解排氣歧管的熱應(yīng)力分布。對(duì)于外部環(huán)境模擬自然條件下的自然對(duì)流換熱；對(duì)于內(nèi)部氣體的溫度通過(guò)將流場(chǎng)分析結(jié)果傳輸給穩(wěn)態(tài)熱場(chǎng)求解器，輸入溫度載荷耦合到排氣歧管內(nèi)壁面網(wǎng)格單元，熱對(duì)流換熱系數(shù)與管道的形狀和尾氣的物理參數(shù)有關(guān)，對(duì)流換熱系數(shù)以公式1得到[2]。計(jì)算得出雷諾數(shù)為525656大于管道湍流雷諾臨界值10000，驗(yàn)證了管道流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流計(jì)算模型[3]，熱邊界條件如表1所示：

表1 熱邊界條件

3、排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算

首先加載熱邊界條件求解排氣歧管結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布； 然后將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)溫度作為熱體載荷重新施加計(jì)算熱應(yīng)力分布。以兩種安裝約束條件對(duì)排氣歧管進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算：

（1）排氣歧管入口與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸出口螺栓連接，安裝法蘭底面及螺栓連接孔壁表面限制其法向位移；排氣歧管出口與排氣總管相連，限制其出口端面法向位移；

（2）只限制入口安裝法蘭面與螺栓孔內(nèi)表面約束，無(wú)摩擦支撐約束限制其法向位移。計(jì)算結(jié)果如圖3至10所示。

圖3 方案一排氣歧管等效應(yīng)力分布

圖4 方案一排氣歧管等 效彈性應(yīng)變分布

圖5 方案一排氣歧管等效塑性應(yīng)變分布

圖6 方案一排氣歧管 總變形分布

圖7 方案二排氣歧管等效應(yīng)力分布

圖8 方案二排氣歧管等 效彈性應(yīng)變分布

圖9 方案二排氣歧管等效塑性應(yīng)變分布

圖10 方案二排氣歧管 總變形分布

圖3為排氣歧管在第一種安裝約束條件下等效應(yīng)力分布，最大值為2928MPa，位于排氣歧管出口端面區(qū)域。圖4為等效彈性應(yīng)變分布云圖,最大值為0.0015，節(jié)點(diǎn)為368。圖4為等效塑性應(yīng)變分布云圖,其最大值為0.43583，與等效彈性應(yīng)變最大值節(jié)點(diǎn)同為4686，說(shuō)明該處應(yīng)力超過(guò)屈服極限230Mpa發(fā)生塑性變形，圖5顯示在出口處總變形量也達(dá)到最大值0.00771m，節(jié)點(diǎn)為15429。綜上分析，等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變、總變形量最大值全部發(fā)生在排氣歧管出口處，出口端面是結(jié)構(gòu)薄弱位置，容易發(fā)生疲勞失效。從第二種安裝約束方式排氣歧管等效應(yīng)力分布云圖7可以看出結(jié)構(gòu)整體承受的等效應(yīng)力比第一種方案要小，最小值為1.23Mpa，且藍(lán)色區(qū)域廣泛存在，最大等效應(yīng)力305Mpa出現(xiàn)在二支管外壁面上即為最大等效彈性應(yīng)變位置如圖8，節(jié)點(diǎn)都是3093；最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在入口法蘭邊緣處，此處由于螺栓連接并限制了孔內(nèi)側(cè)壁面的膨脹導(dǎo)致熱變形受到限制，應(yīng)力積聚導(dǎo)致塑性變形，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.0408，如圖9；結(jié)構(gòu)的總變形量如圖10，最大為0.00404m。綜上分析，第二種方案等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、總變形量都要比第一種約束方案小，正是由于只約束了排氣管入口位置自由度，與第一種方案相對(duì)比可以得出在結(jié)構(gòu)的布置方式對(duì)與其所承受的載荷有較大影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期要同時(shí)考慮。計(jì)算極值匯總?cè)绫?所示。

表2 兩種安裝約束應(yīng)力應(yīng)變極值統(tǒng)計(jì)

4、排氣歧管疲勞壽命計(jì)算

排氣管在出口處等效應(yīng)力較大，超過(guò)屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，反復(fù)作用會(huì)造成疲勞失效。本文采用局部應(yīng)力應(yīng)變法來(lái)設(shè)計(jì)排氣歧管的疲勞壽命，計(jì)算公式如公式2[4]，計(jì)算結(jié)果如表3所示：

?εp塑性應(yīng)變循環(huán)幅值；Nf疲勞失效時(shí)載荷循環(huán)次數(shù)；α材料塑性指數(shù)，0.3到0.8；C與溫度變化成反比的材料參數(shù)。

表3 兩種約束方案下的最大循環(huán)次數(shù)

5、結(jié)論

（1）排氣歧管出口端面塑性變形最大，易發(fā)生疲勞失效。

（2）不同的安裝約束條件對(duì)結(jié)構(gòu)承受的載荷有較大影響，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮。

（3）第一種安裝約束條件下，排氣歧管疲勞壽命僅為9次，對(duì)其結(jié)構(gòu)需要改良設(shè)計(jì)。

（4）采用流固耦合方法計(jì)算排氣歧管熱應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果表明這種方法快速有效。

[1] 李紅慶,楊萬(wàn)里,劉國(guó)慶,等.內(nèi)燃機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2005,26(5):81-84．

[2] 楊世銘,陶文琻.傳熱學(xué)[M]．北京：高等教育出版社.1998．

[3] 周光炯,嚴(yán)宗毅,許世雄,等.流體力學(xué)[M]．上冊(cè).2版,北京：高等教育出版社,2000．

[4] Naohisa Mamiya.Thermal fatigue life prediction of an exhaust manifold by simulation[C].JSAE Annual Congress,1999,109(99)13- 16.

Thermal Load Research of Exhaust Manifold

Tang Peng, Fu Jingshun
（Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870）

Due to the exhaust manifold under high temperature load from the engine cylinder alternating, complex structure will cause local temperature is too high, which will cause local deformation of the exhaust manifold, which may lead to the exhaust manifold of leakage or cracking．Based on the defects existing in the exhaust manifold of a vehicle engine 1.6L four in one structure,using the fluid-structure coupling theory to study the high temperature load.In the ANYSY Workbench platform, the coupled heat transfer calculation of the internal flow and the structure,the numerical values of thermal stress and thermal deformation under two kinds of installation constraints are calculated,according to the calculation results, the thermal fatigue failure of the exhaust manifold is analyzed.

exhaust manifold; fluid-structure coupling; heat load; fatigue life

U463

A

1671-7988 (2017)10-56-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.020

唐鵬，就讀于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)。