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发动机排气歧管的热疲劳分析

Dalei Li, Yuefeng Yin, Guangfei Chen, Chao Cui, Bo Han

关键词：排气歧管，流固耦合，热疲劳，有限元分析，Abaqus

摘要：排气歧管是发动机的主要发热部件，在恶劣的工作中承受高速旋转过程中的交变热负荷和振动负荷。采用流固耦合方法，通过ABAQUS有限元分析和实际疲劳失效分析，再现了排气歧管的温度、应力、应变和失效过程。通过仿真结果与实际情况的比较，证明有限元模型是合理的，求解条件是准确的。进一步的研究将为后续的材料和结构提供理论依据。排气歧管的优化设计，对高温和热冲击下的热疲劳损伤、寿命预测和控制具有重要的参考价值。

引言

随着内燃机性能的不断提高，它们的零部件的机械负载以及热负荷也会增加。排气歧管是发动机最差工作条件的一部分，其工作过程受到从环境温度温度到大约1000摄氏度的温度变化的影响。随着现代汽车的发动机向着小型化和高功率发展，排气压力也相应增加，这也对发动机排气歧管整体性能提出了更高要求。如果设计不良，交替热负荷的热冲击将导致热疲劳裂纹扩散和裂纹失效的泄漏，直接影响发动机的工作可靠性和使用寿命。因此，为了保证发动机及其排气歧管的可靠耐久性，计算和分析发动机排气歧管温度场和热疲劳应力尤为重要。

本文应用流固耦合方法和ABAQUS有限元分析软件对某四缸发动机排气歧管进行了详细的虚拟计算验证。这为这种结构设计提供了重要的理论依据，并为发动机排气歧管的优化设计提供了依据。从而减少了发动机制造商在开发阶段进行管汇裂纹试验的时间和费用。

排气歧管故障描述

不锈钢SUS441排气歧管是发动机中工作环境最恶劣的部件之一。图1是四缸发动机排气歧管的故障图。发动机工作时，排气歧管反复经历加热和冷却过程，排气歧管主要受热疲劳载荷的影响，容易产生断裂失效。

图1排气歧管的故障图

分析计算方法

本文采用流固耦合的方法，对四缸发动机排气歧管进行了热应力和疲劳分析。首先，利用Boost、Fire等专业软件计算发动机排气歧管在三种典型工况下的瞬态内流场，得到排气歧管内壁温度的对流换热系数和热边界条件；即全负荷全速、全速、空转牵引。然后通过映射将热边界条件施加到结构分析模型上。

在圆柱坐标系下，瞬态传热问题可以用方程式

其中，theta;和t分别是温度和时间，r和alpha;分别是半径和热扩散率。 该等式表明温度是瞬态热传递中时间的函数。它可以通过设置正确的边界条件来解决上述等式。在发动机排气歧管的传热问题中，由于复杂的工作环境，很难确定边界条件。通过ABAQUS软件，对排气歧管安装过程中冷热交替循环热疲劳应力分析的复杂求解过程是十分有效的。

排气歧管热疲劳失效的有限元分析

排气歧管的模型，图2a是排气歧管的三维模型。合理的有限元网格生成与有限元模型的计算精度有关。为了更好地模拟，ABAQUS软件采用了8节点线性六面体单元（C3D8R），减少了积分和沙漏控制。网格化的默认设置使离散化误差保持在可接受的范围内，同时使计算时间变短。图2b为已啮合的发动机排气歧管的有限元模型，具体参数见表1。

a b

图2：（a）排气歧管的实体模型（b）排气歧管的有限元模型

表1网格生成的主要参数

项目名称	数据	项目名称	数据
元素库	标准值	沙漏刚度	默认值
元素类型	C3D8R	失真控制	默认值
元素数量	99356	元素删除	默认值
节点数	138837	运动分裂	平均应变

边界条件，根据计算CFD软件的计算结果，得出了排气歧管内壁的传热情况，如图3所示。在排气歧管的外表面，排气歧管和气缸盖简化为绝热结构，排气歧管和尾部法兰之间的接口也简化为绝热结构。其余与大气接触的排气歧管外表面HTC为15W/m2K，环境温度t0为75℃。忽略排气压力的作用。

图3热歧管的热边界

如图4所示，沿Y轴的位移在排气歧管和气缸盖之间的界面上为零。 在排气歧管的两个固定孔的圆柱形表面上，X轴和Z轴的位移均为零。

图4排气歧管的边界位移约束

工作条件的计算， 如图5所示，工作条件的计算用于模拟热和冷冲击的测试。 整个分析循环包括三个工况，即最大负荷全速工况，全速反转牵引和空转模式。 发动机从空转模式尽可能快地转到最大负载的全速工作状态，然后从全速负载转到全速反转牵引，最后转到空转模式。 发动机保持稳定一段时间，然后重复循环。 循环需要重复三次以获得稳定的热蠕变。

图5瞬态分析的工作条件

结果与分析

温度场， 图6显示了排气歧管的温度场。 当发动机从空转模式转到最大负荷的全速工况时，排气歧管的温度达到最高点，稳定在841.5℃。 然后负载迫使发动机尽快减速，发动机工作在怠速模式，最低温度稳定在325℃。很明显，在这种工作条件下温度会急剧变化。

图6排气歧管的温度场

应力场， 图7和图8示出了排气歧管的应力场。 由于温度的快速变化及其产生的后续应变，形成排气歧管中的热应力。 速度快速下降时出现最大应力，约为318MPa。 该应力远远超出材料在温度下的屈服强度极限，然后将导致排气歧管的热蠕变。

图7排气歧管的应力场

图8排气歧管的局部放大

热屈服应变（蠕变）的PEEQ和△PEEQ值。图9显示了热屈服应变的PEEQ场。排气歧管上有许多危险部位，PEEQ值远远超出设计极限。最坏的情况出现在废气再循环管和第4个分流歧管、排气歧管和第4个分流歧管之间的接合处，最大PEEQ值为0.46。因此，排气歧管会因温度变化而严重开裂。

图9排气歧管蠕变的PEEQ场

如图10所示，上述第二和第三循环之间的危险连接处的热屈服应变差为12.8％。 该值严重超出设计极限，可能导致排气歧管严重破裂。

图10排气歧管的△PEEQ值

结论

（1）基于软件Abaqus，该分析模拟了排气歧管热冲击试验的过程，并采用流固耦合方法分析了排气歧管的热应变和疲劳。

（2）在这个四缸发动机从最大负荷的全速工作状态转向全速反向牵引过程中出现的最大应力和污点，或者说温度的剧烈变化是导致最大应力和污染的主要原因。过大的应变和应力，应力将超过屈服极限并导致热蠕变。

（3）在废气再循环管与第四分流歧管，第四分流歧管和排气歧管之间的连接处，PEEQ和△PEEQ的值超过设计极限。这将导致热疲劳损坏和裂纹发动机的排气歧管裂开严重。

（4）Abaqus软件能够准确分析非线性问题。分析结果与排气歧管的实际失效性能吻合良好，证明了有限元分析模型和计算的正确性。

参考文献

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柴油机排气歧管的热机械分析

Ademar de Azevedo Cardoso

GAC SOLUCcedil;Otilde;ES LTDA

Edeson Claudio Andreatta

MWM MOTORS DIESEL

摘要

本文主要研究排气歧管的机械疲劳（TMF）分析。采用了螺栓张力场和温度场得到从室温到满负荷的应力变化。通过ID仿真获得了温度场，并对温度场进行了调整，使其与在车辆上测量的实验值相吻合。在温度波动产生的应力循环作用下考虑使用低周疲劳（LCF）来评估排气歧管。用ABAQUS软件包进行了热应力分析。疲劳分析采用了内部规范。分析中考虑了螺栓扭矩以及发动机和排气歧管上的温度场。

引言

自从内燃机发展以来，对提高电能效率、降低成本和环境排放的持续要求是工程界面临挑战的目标。因此，在过去的几十年中，新的设计和制造技术得到了发展。

在发动机的几个部件中，排气歧管对实现上述目标起着重要作用。

排气歧管系统的目的是收集从气缸盖排出的气体，并将其送至外部环境。当歧管连接到气缸盖时，燃烧室中的高温被传送到排气歧管。实际上，在某些情况下，进入排气歧管的气体最高可达1000摄氏度。

当温度升高时，歧管的膨胀受到连接在气缸盖和涡轮增压器上的螺栓的限制。这样的约束会引起沿管汇体的应力和应变。此外，当发动机从低温状态（室温）运行到高温状态（满负荷运转）时，形成了一个应力循环。这种行为会导致排气歧管关键点出现疲劳失效，需要在设计阶段加以预防。

为了防止疲劳失效，在排气歧管的设计中，材料选择和在载荷作用下的结构评价起着重要的作用。在材料性能方面，流形材料所需的主要特性包括良好的热疲劳强度和高抗氧化性。因此，铁合金主要用于排气歧管的制造。

目前，排气歧管主要由铸铁和不锈钢制成。通过增加硅（Si）和钼（Mo），铸造合金提高了高温下的热性能、延展性和强度。Miazaki等人研究了在铁素体不锈钢上添加Si、Mo和铬（Cr）的情况。他们得出的结论是，添加钼在提高抗氧化性和高温下的强度方面具有显著的效果。作者还注意到，硅的存在也提高了抗氧化性，对高温强度的影响很小。尽管不锈钢材料有所改进，但出于节约成本的原因，铸铁仍然用作排气歧管材料。

在排气歧管设计中，考虑到设计阶段的各种故障模式也很重要。通过这种方式，来自发动机激励或道路不规则的振动会受到动态放大并导致歧管失效。为此，近年来对汽车排气系统的振动进行了大量的深入研究，邹某等发现温度预应力对排气歧管结构模式的影响是不同的，因此，排气歧管模态分析应考虑温度对材料力学性能的影响。徐某和袁某等进行了数值试验，以评估道路和发动机产生的振动对发动机排气系统的影响。

排气歧管设计需要考虑的另一个重要负载是螺栓紧固件提供的机械负载和温度气体引起的热负荷的组合。许多作者认为，机械和热负荷是导致排气歧管疲劳失效的主要方法。虽然可以在高循环疲劳（HCF）分析中处理来自发动机振动或来自道路不平整的载荷，但是由于热负荷导致的排气歧管上的过度变形需要低疲劳分析（LCF）。

由于高温气体导致的排气歧管疲劳通常分为三种不同的失效机制：氧化损伤、蠕变损伤和机械（塑性）损伤。氧化损伤过程包括表面氧化层上的裂纹形核和裂纹扩展。裂纹尖端形成的新的氧化层断裂，使新的金属表面暴露在环境中。Sehitoglu提出了氧化疲劳模型。然而，氧化模型参数的数据库通常是通过耗时和昂贵的测试获得的，因此通常减少氧化的方法是在材料选择过程中。用泰拉方法研究了材料的蠕变，提出了一个考虑蠕变和氧化效应的模型。一般来说，结果与实验测试有很好的相关性，但在6500C至9000C的温度下，有些结果不规则。Sehitoglu疲劳模型也考虑了材料蠕变的影响。与氧化的情况一样，蠕变的模型参数也通过昂贵的测试来评估，并且通常在文献中很少见。

虽然有研究表明蠕变变形是总损伤的主要影响因素，但其他研究表明，塑性对排气歧管疲劳失效有重要影响。

在这种情况下，本文对6缸发

资料编号：[3661]