倪小堅 陳家銳 羅偉強(qiáng)

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2023KY1542）；廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目“‘科教產(chǎn)教雙融合背景下創(chuàng)新型技能人才培養(yǎng)的范式改革——基于創(chuàng)新工作室探索”（GXGZJG2023B225）；2023年度梧州職業(yè)學(xué)院教育教學(xué)改革專項課題（WZJGZD202302）

摘要：發(fā)動機(jī)排氣歧管作為排氣系統(tǒng)的重要部件，前部與發(fā)動機(jī)氣缸連接，后部與三元催化轉(zhuǎn)換器連接，在高低溫交變載荷下運(yùn)行易產(chǎn)生疲勞破壞，排氣歧管的熱負(fù)荷容易接近材料的承載極限。據(jù)此，通過研究排氣歧管的疲勞累積損傷和疲勞特性，采用三維設(shè)計軟件對排氣歧管進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，將設(shè)計好的模型導(dǎo)入有限元分析軟件并進(jìn)行流熱固耦合分析，再將結(jié)果映射到疲勞強(qiáng)度分析工具中，分別從壽命、損壞、安全系數(shù)、等效交變應(yīng)力和疲勞敏感性等對排氣歧管進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析驗證，結(jié)果表明符合樣件壽命預(yù)測。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；排氣歧管；疲勞強(qiáng)度

中圖分類號：U464? 收稿日期：2024-03-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405011

1 前言

在汽車工程領(lǐng)域中，汽車發(fā)動機(jī)的絕大多數(shù)構(gòu)件都處于循環(huán)變化交變載荷中，特別是受振動和熱載荷的影響，使這些構(gòu)件容易產(chǎn)生疲勞磨損。由此看來，疲勞失效是汽車發(fā)動機(jī)中機(jī)械構(gòu)件損傷的主要破壞形式。一些學(xué)者在研究高溫合金時發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行工況變得惡劣情況下，關(guān)鍵部件疲勞失效就越突出，研究表明80%左右零件以疲勞方式破壞[1]。排氣歧管作為發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的廢氣排放首要部件，前與氣缸蓋連接，直接承受來自發(fā)動機(jī)的廢氣流體振動沖擊，受到發(fā)動機(jī)產(chǎn)生廢氣熱量的高熱負(fù)荷作用，同時受到外界的高低溫環(huán)境影響，工作環(huán)境極其惡劣，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，容易引起排氣歧管材料屬性塑性形變。

本文主要研究排氣歧管的疲勞強(qiáng)度，將影響排氣歧管的高熱負(fù)荷和流體振動參數(shù)考慮到疲勞分析中，分別從壽命、損壞、安全系數(shù)、等效交變應(yīng)力和疲勞敏感性等對排氣歧管進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析驗證。

2 排氣歧管疲勞分析現(xiàn)狀

機(jī)械材料的疲勞問題早在1829年德國工程師就開始研究，而針對發(fā)動機(jī)排氣歧管疲勞問題研究也是在近30年才開始的。筆者通過知網(wǎng)檢索了近5年關(guān)于排氣歧管的研究文獻(xiàn)，并進(jìn)行了綜述。陳馨[2]、袁泉[3]對排氣歧管進(jìn)行壽命預(yù)測，主要研究其在反復(fù)拉壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞失效，判斷開裂故障位置；王樂[4]則研究缸蓋壽命時以溫度作為條件進(jìn)行低周疲勞分析，對較低壽命部分進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)；曹楊軍[5]采用傳熱學(xué)理論以及流固耦合研究采用發(fā)動機(jī)排氣歧管疲勞強(qiáng)度，并制作樣機(jī)進(jìn)行可靠性驗證。

綜上所述，眾多學(xué)者對排氣歧管研究的方式方法多樣，對排氣歧管疲勞強(qiáng)度也進(jìn)行了不斷研究，其成果為后續(xù)排氣歧管疲勞壽命的預(yù)測提供了理論研究參考。

3 排氣歧管疲勞分析理論

31 疲勞累積損傷理論

本文針對排氣歧管來研究疲勞累積損傷理論。所謂疲勞累積損傷理論就是當(dāng)汽車機(jī)械構(gòu)件在外界極限載荷往復(fù)循環(huán)作用下，構(gòu)件材料性能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性破壞，因此構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致構(gòu)件不能夠正常使用。疲勞累積損傷理論是指疲勞累積損傷的規(guī)律和臨界程度，是疲勞壽命預(yù)測最關(guān)鍵位置[6-8]。本文對排氣歧管的研究采用的是線性疲勞累積損傷理論。

線性疲勞累積損傷理論中的疲勞損傷是可以累積疊加的，其疊加的數(shù)值是線性的，并且各載荷施加相互獨(dú)立、互不影響，但當(dāng)累積載荷超過材料承受的載荷時，排氣歧管就會產(chǎn)生疲勞損壞。本文引用線性累積損傷理論中最為典型的Miner理論[9-10]，其理論計算公式為：

[Di=niNi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，Di為第i級累積損傷；ni為第i級應(yīng)力幅值下的實際循環(huán)次數(shù)；Ni表示第i級應(yīng)力幅值下達(dá)到疲勞破壞時的允許循環(huán)次數(shù)?？倱p傷公式為：

[D=niNi=D1+D2+…+Di]? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[D1，D2，…，Di]為各級損傷累積；D為總損傷，一般總損傷為1時出現(xiàn)疲勞失效。

32 材料疲勞特性

材料的疲勞特性實際就是分析材料的疲勞性能，其中疲勞分析以S-N曲線（圖1）為基礎(chǔ)，該曲線表示材料應(yīng)力與疲勞循環(huán)壽命的關(guān)系。為了計算出材料的結(jié)構(gòu)疲勞壽命，需要建立其材料分析庫、施加載荷與疲勞之間的關(guān)系。但由于材料存在分散性，因此實際工程應(yīng)用中的疲勞試驗離散非常大。

在疲勞分析過程中，應(yīng)力與疲勞壽命還存在著重要的聯(lián)系，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力較小時，其壽命往往就越長，反之如受到的應(yīng)力較大，并且越復(fù)雜和無規(guī)律時，其壽命則越短。所以應(yīng)力與疲勞壽命間并非簡單的線性關(guān)系，而是S形，因此存在低周疲勞（LCF）、高周疲勞（HCF）、亞疲勞（SF）這三種模式，如圖1所示。在載荷施加下，抗拉強(qiáng)度Sb且循環(huán)次數(shù)為106～107時，則對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度為疲勞極限Sf，S-N曲線在高周疲勞區(qū)近似一條直線［11-12］。本文研究的排氣歧管采用的是304不銹鋼材料，我們從ANSYS中獲取并生成S-N曲線，如圖2所示。

4 排氣歧管疲勞分析

41 計算模型參數(shù)

疲勞分析工具比較多，例如ANSYS有限元分析軟件中就包含Ncode SN Constant （DesignLife）和Workbench中模塊下的Fatigue Tool這兩種疲勞分析工具。本文分析的結(jié)構(gòu)相對簡單，因此結(jié)合排氣歧管所使用的工況，主要采用ANSYS Workbench中的Fatigue Tool疲勞分析工具來判斷設(shè)計的排氣歧管是否滿足疲勞設(shè)計要求。但分析的前提就是需要知道材料的S-N曲線，S-N曲線前面已經(jīng)從材料庫中估算生成。

排氣歧管受到排氣廢氣氣流影響、熱量對結(jié)構(gòu)固體的熱膨脹影響，以及發(fā)動機(jī)固體振動的影響，這些溫度、流體及發(fā)動機(jī)振動都對排氣歧管的壽命造成比較大的影響。因此本次的疲勞分析是在流熱固耦合分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的疲勞強(qiáng)度驗證，其仿真分析的數(shù)據(jù)更加接近真實值。

42 強(qiáng)度分析

在Mechanical中，對Fatigue Tool中的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計所用的疲勞強(qiáng)度應(yīng)小于實驗所測得的疲勞強(qiáng)度，因此Fatigue Strength Factor（KF）設(shè)置為08，載荷的類型設(shè)置為Reversed，分析的類型選擇應(yīng)力壽命。因為所測得的S-N曲線通常都是應(yīng)力比為-1的，我們加載的平均應(yīng)力不為1，需要考慮到平均應(yīng)力對壽命的影響，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力都會影響疲勞壽命，因此平均應(yīng)力修正算法采用Goodman，應(yīng)力的分量則采用Equivalent （Von Mises），其他的參數(shù)保持默認(rèn)選項。將結(jié)果插入到Fatigue Tool中，針對本次研究的排氣歧管試驗樣件，分別從壽命、損壞、安全系數(shù)、雙軸指示和疲勞敏感性分析排氣歧管的疲勞強(qiáng)度。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后運(yùn)行計算得到結(jié)果如圖3～圖8所示。

根據(jù)壽命云圖（圖3）、歧管關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命（圖4）和疲勞損傷云圖（圖5）的分析結(jié)果知道，S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)為1×108，這也是排氣歧管的疲勞壽命，發(fā)生在雙歧管交匯處，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均超過最低壽命值，符合設(shè)計壽命要求。最大疲勞損壞為8.277 4 [μ]m，其中該處的循環(huán)壽命次數(shù)為1208×108，發(fā)生在局部放大視圖的法蘭盤交接口處，疲勞損傷比較小，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大。

由以上分析結(jié)果可知，圖6中的排氣歧管安全系數(shù)為14373，可以看出結(jié)構(gòu)壽命比較高。本文采用的是雙軸性指示，通過應(yīng)力等值線的方式，確定局部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，從圖7中的雙軸性指示數(shù)據(jù)可知。從圖8的疲勞敏感曲線圖可知，排氣歧管的壽命、結(jié)構(gòu)損傷、歧管安全系數(shù)在臨界區(qū)域均隨載荷的變化而變化。

5 結(jié)語

本文采用ANSYS中的Fatigue Tool疲勞工具，研究了排氣歧管的疲勞累積損傷和疲勞特性。以流熱固耦合數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別從壽命、損壞、安全系數(shù)、疲勞敏感性等對排氣歧管進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，分析結(jié)果符合樣件的壽命預(yù)測，研究結(jié)論可為排氣歧管疲勞強(qiáng)度的進(jìn)一步分析提供參考。

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作者簡介：

倪小堅，男，1993年生，講師/工程師，研究方向為汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計與CAE技術(shù)。

羅偉強(qiáng)（通訊作者），男，1974年生，高級講師/工程師，研究方向為機(jī)電控制技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)。