增壓直噴汽油機(jī)因其功率較大，排氣溫度較高，排氣歧管熱負(fù)荷大，容易在一些幾何過渡不圓滑的地方出現(xiàn)熱應(yīng)力集中。本文在發(fā)動(dòng)機(jī)中速負(fù)荷下，以BOOST和FIRE一維三維耦合分析計(jì)算排氣歧管內(nèi)外流場(chǎng)溫度及換熱系數(shù)分布，將流場(chǎng)壁面溫度、換熱系數(shù)映射到排氣歧管實(shí)體網(wǎng)格上作為邊界條件，利用Abaqus計(jì)算排氣歧管的溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)力分布。以排氣歧管材料屈服極限為標(biāo)準(zhǔn)，判斷排氣歧管是否會(huì)發(fā)生熱疲勞裂紋；以計(jì)算結(jié)果為參照，對(duì)排氣歧管高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除熱應(yīng)力集中。

圖1 排氣歧管內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算模型

原始設(shè)計(jì)方案

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

排氣歧管采用二階四面體網(wǎng)格（C3D10）劃分，整個(gè)有限元模型包括102265個(gè)實(shí)體網(wǎng)格，如圖2所示。用于映射流體分析邊界溫度和換熱系數(shù)的內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格（DS6）15604個(gè)，外流場(chǎng)網(wǎng)格（DS6）25548個(gè)。排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)采用一維三維耦合的計(jì)算方法，圖3、4顯示了映射的邊界溫度場(chǎng)及換熱系數(shù)。排氣歧管所用材料為鑄鐵NiSiCr3552，其物理特性和力學(xué)性能與溫度的關(guān)系如圖5所示。

圖 2 有限元計(jì)算模型

圖 3 內(nèi)流場(chǎng)溫度云圖（K）

圖 4 內(nèi)流場(chǎng)換熱系數(shù)云圖（W/m2.K）

圖 5 鑄鐵 NiSiCr3552 物理特性和力學(xué)性能與溫度關(guān)系

原始方案計(jì)算結(jié)果

排氣歧管溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 排氣歧管原始方案溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分布

由圖 6 可知，在排氣歧管 1、4 支管與 2、3 支管匯合隔板與管壁倒角處存在熱應(yīng)力集中，最高應(yīng)力 372MPa已經(jīng)超過材料屈服極限。

改進(jìn)方案

針對(duì)排氣歧管原設(shè)計(jì)方案 1、4 支管與 2、3 支管匯合處隔板與管壁間的幾何進(jìn)行修改，使其過渡盡可能圓滑，以降低該區(qū)域應(yīng)力水平。為此，總共進(jìn)行了 8 次修改，最終將熱應(yīng)力降至材料屈服極限以下。圖 7 至圖 14 給出了各修改方案熱應(yīng)力分布云圖，表 1 列出了各修改方案的最大熱應(yīng)力值。

圖 7 第 1 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 8 第 2 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 9 第 3 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 10 第 4 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 11 第 5 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 12 第 6 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 13 第 7 修改方案熱應(yīng)力分布

圖 14 第 8 修改方案熱應(yīng)力分布

表 1. 排氣歧管各設(shè)計(jì)方案最高熱應(yīng)力.

結(jié)論

排氣歧管因幾何結(jié)構(gòu)不當(dāng)，存在熱應(yīng)力集中和熱疲勞裂紋的危險(xiǎn)。通過一維三維流體耦合分析計(jì)算排氣歧管內(nèi)外流場(chǎng)溫度、換熱系數(shù)，利用 Abaqus 計(jì)算排氣歧管溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)力分布。原始設(shè)計(jì)方案最高熱應(yīng)力 372MPa，超過材料屈服極限，最高應(yīng)力發(fā)生在 1、4 支管與 2、3 支管匯合處隔板與管壁過渡圓角。對(duì)排氣歧管原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終將熱應(yīng)力降低至排氣歧管材料屈服極限以下，通過試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后排氣歧管沒有出現(xiàn)熱疲勞裂紋問題。

資料來源：達(dá)索官方