基于FEA與CFD的排氣歧管開(kāi)裂問(wèn)題聯(lián)合研究

高維進(jìn)，陳婷，徐穎韜

(1.江鈴汽車(chē)股份有限公司,江西南昌 330001；2.江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，江西南昌 330088)

0 引言

為了滿足不斷提升的節(jié)能減排法規(guī)要求，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓程度隨著對(duì)EGR率要求的提高而不斷提高，進(jìn)而使得排氣歧管的熱負(fù)荷也逐漸提高。排氣歧管的工作條件非常惡劣：它的內(nèi)表面和高溫燃?xì)庀嘟佑|并受脈動(dòng)燃?xì)饬鲃?dòng)的強(qiáng)烈沖刷，因而具有很強(qiáng)的對(duì)流換熱；而外表面則以弱對(duì)流和熱輻射向環(huán)境散熱；由于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)部件多且布置空間有限，排氣歧管外表面向環(huán)境散熱受到很大制約，內(nèi)外兩側(cè)散熱能力的不匹配，使其金屬溫度非常高，約700 ℃或更高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升及強(qiáng)化程度的不斷提高，增壓器技術(shù)的不斷進(jìn)步，有關(guān)排氣歧管尤其是開(kāi)裂問(wèn)題的相關(guān)報(bào)道越來(lái)越多[1-6]，采用數(shù)值模擬的方法，評(píng)估排氣歧管的安全性，已受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者、相關(guān)主機(jī)廠和相關(guān)整車(chē)廠的日益重視[4-6]。

圖1為某直列6缸增壓柴油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率耐久試驗(yàn)中遇到的排氣歧管開(kāi)裂失效，裂紋位置在歧管和總管的兩個(gè)結(jié)合處。經(jīng)排查，其零件材料及鑄造質(zhì)量均合格，本文作者基于Abaqus分析軟件，采用FEA與CFD相結(jié)合的方法，對(duì)上述臺(tái)架耐久開(kāi)裂樣件進(jìn)行了詳細(xì)深入分析，并給出了針對(duì)性的且臺(tái)架驗(yàn)證有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

圖1 開(kāi)裂失效及具體位置

1 基于Abaqus的FEA-CFD耦合分析

排氣歧管的熱應(yīng)力-應(yīng)變分析是一個(gè)復(fù)雜的物理問(wèn)題，涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和材料力學(xué)，直接采用試驗(yàn)的方法對(duì)上述熱應(yīng)力-應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行研究，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、難度大且不能對(duì)相關(guān)機(jī)制進(jìn)行深入剖析。因此，對(duì)于排氣歧管的熱應(yīng)力-應(yīng)變分析，數(shù)值模擬已逐漸被采用。文獻(xiàn)[7]對(duì)排氣歧管在熱力耦合應(yīng)力作用下產(chǎn)生的熱機(jī)械疲勞失效的理論進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[8]給出了對(duì)排氣歧管的FEA-CFD耦合(國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)也稱固流耦合)方法或流程(圖2)，文中的分析也主要是基于該方法進(jìn)行的。

圖2 流固耦合分析流程

文中建立的熱應(yīng)力-應(yīng)變分析模型分為3個(gè)子分析模塊，分別為1D整機(jī)熱力學(xué)分析模型，排氣歧管內(nèi)腔3D-CFD分析模型及基于Abaqus的3D-FEA模型。首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的1D熱力學(xué)計(jì)算，為3D-CFD模型提供所需的各缸排氣歧管流動(dòng)上下游的邊界條件。然后進(jìn)行3D-CFD計(jì)算，并通過(guò)映射功能(AVL-FIRE和Abaqus)，將近壁面燃?xì)獾南嚓P(guān)計(jì)算結(jié)果映射到3D-FEA上。3D-FEA計(jì)算可得到第一輪歧管本體的詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)，利用該溫度數(shù)據(jù)可對(duì)3D-CFD初始的換熱條件進(jìn)行修正，進(jìn)而可更為精確地評(píng)估高溫燃?xì)鈱?duì)歧管本體的影響。文中所建立的溫度場(chǎng)分析模型經(jīng)過(guò)兩輪FEA-CFD迭代計(jì)算后內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)流邊界基本趨于穩(wěn)定。

2 排氣歧管本體溫度場(chǎng)計(jì)算

2.1 排氣歧管溫度場(chǎng)分析的3D-FEA模型

3D-FEA模型如圖3所示，模型共有網(wǎng)格單元963 501個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 470 267個(gè)。

圖3 排氣歧管3D-FEA模型

2.2 排氣歧管的傳熱邊界條件

對(duì)于流體和固體間發(fā)生熱交換的情況，在流體和固體的交界面處，具體的傳熱邊界主要總結(jié)如下：(1) 溫度或溫度分布；(2) 熱流密度或熱流密分布；(3) 對(duì)流換熱。對(duì)于當(dāng)前的歧管開(kāi)裂問(wèn)題，采用對(duì)流換熱的方法進(jìn)行詳細(xì)分析。排氣歧管為高溫件，輻射換熱是主要的散熱方式，由于外壁溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，排氣歧管對(duì)周邊零部件的熱輻射換熱假設(shè)為單向熱輻射。

2.3 排氣歧管溫度場(chǎng)分析

經(jīng)過(guò)兩輪FEA-CFD的迭代計(jì)算，整個(gè)歧管不同部位的溫度分布如圖4所示。從圖中可以看出，排氣總管內(nèi)壁面部位的溫度是高于各缸歧管的，是最高的。造成這種溫度分布的原因如下：各缸排氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中有近3個(gè)沖程對(duì)應(yīng)的時(shí)間里由于排氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，管壁不受高溫燃?xì)庵苯記_刷，而排氣總管在整個(gè)工作循環(huán)中受到近似連續(xù)的分別來(lái)自各缸的高溫燃?xì)鉀_刷換熱，故其相應(yīng)的壁溫也就比各缸排氣歧管高。

圖4 整個(gè)歧管不同部位的溫度分布

圖5展示了排氣歧管本體溫度場(chǎng)分析值與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比情況(額定功率負(fù)荷點(diǎn))，其中最大值相差16 ℃(分析值較低)，誤差率為2.7%，可以認(rèn)為兩者基本一致，證明該分析方法具有相當(dāng)?shù)目煽啃?，可以作為后續(xù)熱應(yīng)力-應(yīng)變分析的溫度場(chǎng)邊界。

圖5 FEA-CFD的模型驗(yàn)證

3 排氣歧管熱應(yīng)力-應(yīng)變分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久試驗(yàn)，通常在額定功率點(diǎn)和怠速點(diǎn)交變進(jìn)行(跑完一次額定功率點(diǎn)及怠速點(diǎn)定義為一個(gè)工作循環(huán))，據(jù)此制定熱應(yīng)力-應(yīng)變分析工況，其中額定功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為熱態(tài)，停機(jī)冷卻到環(huán)境溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為冷態(tài)，依次經(jīng)歷一次熱態(tài)—冷態(tài)為一個(gè)工作循環(huán)，如圖6所示，整個(gè)分析共需兩個(gè)循環(huán)。

圖6 工作循環(huán)的定義

圖7、8分別為熱態(tài)、冷態(tài)開(kāi)裂區(qū)及其附近區(qū)域的應(yīng)力分布。由圖可知，在額定功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱態(tài)工況下，在開(kāi)裂區(qū)域及其附近區(qū)域，壓應(yīng)力是主要的作用形式，尤其在開(kāi)裂區(qū)情況更為惡劣；在停機(jī)冷卻到環(huán)境溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的冷態(tài)工況下，拉應(yīng)力是主要的作用形式，同樣在開(kāi)裂區(qū)情況更為惡劣。耐久試驗(yàn)中連續(xù)且大幅的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的頻繁切換，初步分析，將會(huì)對(duì)當(dāng)前的失效問(wèn)題產(chǎn)生重要影響。

圖7 熱態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布

圖8 冷態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布

圖9所示為開(kāi)裂區(qū)及其附近區(qū)域的PEEQ分布，很明顯可以看到，該處的塑性變形量相對(duì)其他部位較大，易于發(fā)生熱機(jī)疲勞失效。綜上，根據(jù)排氣歧管開(kāi)裂位置的應(yīng)力和應(yīng)變條件可以推斷，排氣歧管開(kāi)裂是由熱機(jī)械疲勞所致。

圖9 開(kāi)裂區(qū)的PEEQ分布

4 排氣歧管的改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于FEA-CFD的分析預(yù)測(cè)，為改善優(yōu)化當(dāng)前的開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)圖10所示的3個(gè)部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化：加大位置1和位置2處的過(guò)渡半徑；位置3處的加強(qiáng)筋擴(kuò)大到排氣進(jìn)口法蘭處，提升開(kāi)裂區(qū)剛度。

圖10 開(kāi)裂區(qū)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

基于上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行FEA-CFD分析，如前所述，通過(guò)對(duì)比原方案與改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在開(kāi)裂區(qū)PEEQ的大小，來(lái)確定設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。圖11給出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的PEEQ分布，通過(guò)與原方案的PEEQ對(duì)比可知，其數(shù)值大小與分布區(qū)域都有較大的減少，其中最大值由2.2%降低到1.2%?；谏鲜龇治?，采用圖10所示的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行樣件的加工、樣機(jī)的裝配及重新的耐久試驗(yàn)，結(jié)果顯示：優(yōu)化后的排氣歧管順利通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的各項(xiàng)考核，具有較好的耐久性能。

5 結(jié)論

(1)FEA-CFD耦合迭代得到的歧管溫度分布具有較高的精度，可以作為后續(xù)熱應(yīng)力-應(yīng)變分析的溫度場(chǎng)邊界。

(2)根據(jù)排氣歧管熱應(yīng)力-應(yīng)變分析結(jié)果，認(rèn)為其開(kāi)裂原因是熱力耦合應(yīng)力作用導(dǎo)致的熱機(jī)械疲勞失效。

(3)優(yōu)化后的排氣歧管順利通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的各項(xiàng)考核，具有較好的耐久性能，這證明了基于Abaqus分析軟件的FEA-CFD耦合的熱應(yīng)力-應(yīng)變分析方法對(duì)排氣歧管失效機(jī)制做出的推論是合理的。