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排气歧管的耦合CFD-FE分析降低直喷式油机的应力
（Coupled CFD–FE analysis for the exhaust manifold to reduce stress of a direct injection-diesel engine）
作者： Dillip Kumar Sahoo amp; Raja Thiya
印度钦奈萨提亚巴马大学汽车工程系
摘要：本文对四缸柴油机排气歧管进行了研究。利用计算机辅助设计和CAE软件，对排气歧管进行了几何造型和有限元分析。采用计算流体力学（CFD）软件对稳态工况下排气歧管壁面热边界系数进行了数值模拟，得到了内部流场结构。基于商用有限元程序ABAQUS，将热边界条件映射到排气歧管的结构单元表面。通过热分析，找出高应力区。对高应力区进行了设计修改，重复该过程，降低应力以达到目标。数值结果和等值线图的报告。由于满足结构和流程要求的复杂性，对此类系统的分析至关重要。利用CFD和FEA耦合模拟可以更好地预测排气歧管中的热应力和流动特性。模拟捕捉了失效位置的应力模式和应力集中。改性使应力水平降低了13%，消除了应力集中现象。
文章历史：收到日期：2017年10月6日，接受日期：2017年10月23日
关键词：排气歧管; CAD; CFD;FEA
- 介绍
安装在发动机气缸盖上的排气歧管收集发动机排出的气体并将其送至催化转化器。排气歧管在发动机系统的性能中起着重要作用。特别是，排放效率和燃油消耗与排气歧管密切相关。排气歧管处于热状态因温度升高和降低而产生的疲劳，导致排气歧管出现裂纹。
排气歧管受热应力和变形的影响，这些热应力和变形是由温度分布、热积累或散热以及其他相关的热特性引起的。排气歧管能够影响气体交换方法有很多方面，就像活塞工作一样排气行程，来自进气进入排气管，甚至是气缸充气。在收集发动机和排气的过程中对于催化转化器，排气歧管的温度为800°C，压力从100到500千帕不等。排气歧管受到热疲劳排气温度的升高和降低。这个排气压力波循环次数受内部压力影响。这些将导致排气歧管破裂。
热负荷和机械负荷是导致排气歧管失效的关键因素。为了在高速下最大限度地提高发动机功率，应将废气从活塞室顺利排放到歧管上。为了提高性能和减轻重量。Jain和Agrawal（2013）调查了模拟下的相关热应力和变形操作条件接近实际情况的不同不同环境温度下的材料，即铸铁和结构钢。计算了热场和结构分析下的线性稳态温度分布。本分析的目的是确保适当性从排气歧管的可用性。Fan、Kuba和Nakanishi（2004）对热流量和排气歧管的热应力，并找到有限体积法（fvm）/有限元的最佳可能解。方法（FEM）。Umesh、Pravin和Rajagopal（2013a、2013b，2013c）调查了排气系统的最佳设计。从排放的角度来看。Sweta和Agrawal（2013）研究了模拟操作条件下接近真实温度的相关热应力和变形。不同材料的情况，以确保适当性从排气歧管的可用性。David Rathnaraj（2012年）在本文对不锈钢排气歧管的热机械疲劳进行了分析。汽车发动机有很大的温度梯度和几何约束引起的热应力。这是一个热机耦合汽车设计过程中的关键问题排气歧管。本文重点介绍了应用由等温数据支持的模型的热-力学条件的本构方程。使用投影模型，热应力分析和寿命预测完成了由429EM不锈钢制成的歧管。工作同时，还进行了流量特性的估算。使用的内燃机的进气和排气歧管四冲程可变压缩比单缸汽油Kutaiba等人（2010）。Mohiuddin、Rahamn和Dzaidin（2007）研究了使用GTPower的汽车排气系统，并将其性能与现有的汽车排气系统进行了比较。系统。最近设计的排气歧管显示较低最终导致更高性能的发动机。
还对传热现象进行了分析研究。Durat等人使用不同的努塞尔数（2013）。压力传感器的位置和测量值的畸变根据传感器位置研究压力过程Mikl_nek（2006年）。齐达特和帕门蒂尔（2003年）致力于排气歧管设计最大限度地缩短催化剂的点火时间。Gocmez和Deuster（2007）对利用共形和间接界面获得的预测进行了比较研究。用于排气歧管中的共轭传热分析确定某些预定物理量的接近程度的一种观点。进行了稳态分析。使用rans-kepsilon湍流模型计算2和4 mm的基本网格尺寸值。共形的预测结果非共形网格的2基网格尺寸值为决定在合理的协议。排气管的复杂几何结构以及特殊的流动条件使精确估计许多必要的传热参数。Kandylas和Stamatelos（1999）已经研究了基于热的发动机排气系统设计传输计算并建议优化各种参数，如排气歧管材料、厚度以及汽油发动机中催化转化器的隔热、排气歧管和落水管类型（几何结构）和位置。Londhe和Yadav（2006）研究了热冲击对排气歧管。Gocmez和Deuster（2007）提供了一个完整的解决方案的程序，它提供了无故障的优化排气歧管的开发。在Zou等人对排气歧管温度影响的另一项研究，热模态分析。（2013年），温度场由计算流体动力学绘制。利用有限元软件系统对计算流体力学（CFD）软件系统和热导率进行了温度场分析。边界条件。Bisane和Katpatal（2014年）提出评价排气系统性能的有力方法通过对单缸四冲程压燃（CI）的实验研究和CFD分析发动机排气系统。Deger，Simperl，and，Jimenez（2004）做过。CFD——排气歧管的有限元分析旨在确定特定温度和压力分布。
- 问题陈述
热流分析中最常用的计算方法是有限元分析（FEA）。在这项研究中，我们将研究汽车发动机的排气歧管。首先进行计算机辅助设计（CAD）建模，然后进行有限元分析。是用超网格完成的。为了模拟实际工况下排气歧管壁面的热边界系数，将利用CFD软件。薄膜传热系数和温度将计算边界的。此外，热边界条件必须根据商业有限元映射到排气歧管的结构元件表面。代码ABAQUS。排气歧管的温度场以及热应力和变形将被模拟。一个强有力的技术指南，用于评估排气歧管和结构优化设计可以从目前的研究中发现。
2.1方法
计算热应力时将遵循以下步骤
步骤1：创建几何图形。
步骤2：使用CAD数据创建CFD和FEA模型。
步骤3：Fluent将用于计算通过排气歧管和油流。
步骤4：将调整网格以获得更精确的热量传递系数计算。
步骤5：传热系数（h）和温度（t）将被插值到FEA网格。
步骤6：将执行加热和冷却热循环，以计算排气歧管中的应力和应变。
步骤7：提供后处理和报告生成及结论
2.2控制方程
控制流体运动的方程是三个基本方程，质量、动量和能量守恒原理。
连续性 (1)
动量 (2)
能量 (3)
其中，rho;是流体密度，v是流体速度矢量，tau;ij是粘性应力张量，p是压力，f是物体力，e是内能，q是热源项，t是时间，为耗散项，为传导热损失。傅立叶传导传热定律可用于将去q描述为：
其中k是导热系数，t是温度。取决于物理控制的特性流体运动，一个或多个项可以忽略不计。例如，如果流体是不可压缩的，并且流体的粘度系数（mu;）和导热系数是恒定的，则连续性、动量和能量方程可简化为以下方程：
每个项的存在以及它们的组合决定了合适的求解算法和数值程序。
2.3计算流体动力学
CFD是流体力学的一部分，它应用数值方法和算法来解决和分析与流体流动相关的问题。计算机通过使用特定的软件进行计算，该软件允许对预期流程的模拟进行复杂的计算。利用CFD，我们能够建立一个程序模型，代表我们想要研究的系统或设备。在我们的案例中，采用了CFD Fluent软件系统，该软件系统通过数值求解控制数学方程组，利用预测流体流动、传热传质、化学反应和相关现象的科学知识。CFD分析的结果与新设计的概念研究、详细的产品开发、故障排除和重新设计有关。因此，通过使用CFD Fluent，我们能够构建一个我们想要研究的系统或设备的“虚拟原型”，然后将真实的物理和化学应用到模型中，软件还可以提供预测该设计性能的图像和数据。所有CFD代码都包含三个主要元素：（1）APRE处理器，用于输入问题的几何图形，生成网格，并勾勒出代码的流动参数和边界条件。（2）流动求解器，用于根据条件求解流动的控制方程，前提是作为流动求解器有四种完全不同的策略：（i）有限差分法；（i i）有限元法，（iii）fvm和（iv）光谱法。（3）后处理器，用于按摩信息并以图形和简单易读的格式显示结果。
- 排气歧管说明
3.1几何图形的创建
四缸四冲程CI发动机排气歧管在本研究中使用。要分析的排气歧管是如图1所示排气歧管的CAD建模使用超网格。尺寸是从废料中获得的。铁网。从废网中提取表面，然后对表面进行平滑处理（图2和3）
图1 排气歧管的模型 图2 排气歧管内表面和凸缘
图3 排气歧管的外表面和凸缘
3.2排气歧管的有限元模型
接下来是为流模型创建负载和边界条件，并用Fluent进行求解。将测量和计算沿内表面的传热系数和温度，这将是热应力分析的输入，热应力分析将使用ABAQUS进行计算（图4和5）。
图4 排气歧管-应力模型（Tetra元件） 图5 排气歧管–CFD模型（Tetra元件）
4.应力分析
4.1导热热应力分析
建立了排气歧管的有限元模型（应力模型），确定了铸铁材料的性能。模型在所有自由度的顶面和底面都受到约束。排气歧管的内表面节点以600°C的均匀温度施加。排气歧管的外表面以30°C的均匀温度施加。使用ABAQUS对上述设置进行耦合温度位移分析（图6）。
图6 传导应力分析
4.2 对流热应力分析
为了对排气歧管进行热应力分析（包括对流特性），进行了流动分析，找出了节点温度和传热系数值。该计算使用CFD解算器Fluent v14.0进行。图7显示了从1000K到950K的温度分布图。节点温度输出到流动模型的壁面上。节点温度输出为ABAQUS格式，作为下一步热应力分析的输入。图8显示了在流动模型的壁面测得的传热系数。最大传热系数为522 W/m2K。这些值以ABAQUS格式导出，这是考虑计算对流参数时热应力分析的输入之一（图9）。
图7对流过程中的温度分布 图8 壁面传热系数分布
图9 对流应力分析。
由上图可以推断出用ABAQUS进行热应力计算得到的裂纹位置和高应力区。然而，应力高于屈服极限。颈部区域的应力是局部应力，这是由于颈部区域的锐边造成的。通过在缺口区添加材料，得到了降低高应力区的解决方案。在高应力缺口处加入50g的材料，再次进行热分析以了解应力值。图10显示了添加物料前和添加物料后的比较图。应力由324兆帕降低到280兆帕，从而达到目标。
图10 加料前后应力分析比较
- 结果
多缸排气歧管应力分析结果已在表1中绘制
导热热应力分析 378.5 MPa
常规热应力分析 324.2 MPa
加入材料时的热应力分析 280.4 MPa
表1 排气歧管的比较结果
通过对上述结果的比较，我们得出边界条件、初始条件和实际条件越多，精度越高。用传导参数分析零件时，应力较高。当我们将节点温度和对流特性引入分析时，应力降低到324.2兆帕。高应力区材料的加入将应力降低到280.4兆帕。
- 结论
模拟捕捉了失效位置的应力模式和应力集中。改性使应力水平降低了13%，消除了应力集中现象。高应力区位于两个排气口的交界处，区域不连续。填充材料以消除不连续性并使合并平滑。修改后的设计再次进行评估，观察到应力降低了约13%。简化的有限元模型可以很好地利用适当的边界条件模拟排气歧管的热结构行为。随着基于损伤参数识别的热机械疲劳寿命预测方法的发展，研究活动正在进行中。这种方法支持组件的手动或自动几何优化，因此支持汽车公司通过减少必要的测试次数来缩短开发时间的意图。
披露声明
作者没有报告潜在的利益冲突。
参考文献
[1] Bisane, Rajesh, and Dhananjay Katpatal. 2014. “Experimental Investigationamp; CFD Analysis of an S
资料编号：[3665]
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