排氣管鑄造筋結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王寶軍，孫晶晶，李連升，馬慶鎮(zhèn)，李德華，侯曉良

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，在提高升功率、提高壓縮比、改善燃燒、減少排放等方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來(lái)越苛刻，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫越來(lái)越高，對(duì)相關(guān)零部件的要求也越來(lái)越高[1]。排氣管的工作環(huán)境惡劣，一方面要承受極高的廢氣溫度，在高溫廢氣作用下產(chǎn)生熱變形，另一方面又要承受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的周期性振動(dòng)，極易產(chǎn)生變形和裂紋故障，影響整機(jī)和整車的可靠性。

圖1 排氣管裂紋位置

某發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行2000 h后排氣管部位出現(xiàn)裂紋，裂紋位置如圖1所示。本文中采用熱機(jī)耦合方法，利用Abaqus軟件建立排氣管有限元模型，進(jìn)行排氣管溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，分析裂紋故障原因，對(duì)排氣管鑄造筋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 熱機(jī)耦合計(jì)算方法

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管熱應(yīng)力仿真流程如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)和性能試驗(yàn)參數(shù)，利用GT-Power軟件進(jìn)行排氣管一維熱力學(xué)模型標(biāo)定，輸出排氣管熱應(yīng)力計(jì)算所需的流體邊界，即排氣道入口、渦輪機(jī)前、廢氣再循環(huán)取氣口在一個(gè)工作循環(huán)(0～720°曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)的質(zhì)量流量、溫度和壓力；將一維熱力學(xué)仿真的輸出數(shù)據(jù)賦值給流體三維網(wǎng)格模型，利用流體仿真軟件AVL-Fire進(jìn)行排氣管氣側(cè)流動(dòng)換熱流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)計(jì)算，得到氣側(cè)壁面溫度及對(duì)流換熱系數(shù)；將氣側(cè)壁面邊界計(jì)算結(jié)果映射到排氣管溫度場(chǎng)有限元模型中，利用Abaqus軟件對(duì)排氣管溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析；再將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及機(jī)械載荷輸入排氣管應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算有限元模型，最終計(jì)算得出排氣管應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果[2-3]。

圖2 排氣管熱應(yīng)力仿真分析流程

根據(jù)流體流動(dòng)和傳熱計(jì)算輸出的壁面熱邊界條件進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算[4-5],

(1)

(2)

根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算與機(jī)械載荷進(jìn)行熱應(yīng)力的耦合計(jì)算[6-9],

δ=RtK，

(3)

式中：δ為單元桿端位移矩陣,Rt總體載荷矩陣，K為總體剛度矩陣。

σ=D(Bδ-ε0)，

(4)

式中：σ為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力矩陣，D為彈性矩陣，B為應(yīng)變矩陣，ε0為單元初始位移矩陣。

2 有限元模型建立

2.1 排氣管網(wǎng)格模型

對(duì)排氣管三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示。

a)故障排氣管網(wǎng)格模型 b)故障排氣管流體網(wǎng)格模型圖3 排氣管三維網(wǎng)格模型

2.2 排氣管材料參數(shù)

排氣管的材料為高鎳球鐵，材料參數(shù)見(jiàn)表1。表1中各材料參數(shù)為常溫下測(cè)得，其隨溫度的變化規(guī)律在Abaqus軟件中進(jìn)行設(shè)置。

表1 排氣管材料參數(shù)

2.3 邊界條件

與排氣管接觸的各個(gè)接觸面設(shè)置為可分離接觸對(duì)，其余接觸面設(shè)置為綁定接觸對(duì)。仿真計(jì)算時(shí)缸蓋設(shè)置為約束x、y、z3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

排氣管溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件是通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算得到的氣側(cè)壁面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)還需考慮各個(gè)殼體與空氣的對(duì)流換熱。排氣管壁面溫度云圖見(jiàn)圖4(圖中單位為℃)，對(duì)流換熱系數(shù)云圖見(jiàn)圖5(圖中單位為mW/(m2·K))。

圖4 排氣管氣側(cè)近壁面溫度 圖5 排氣管氣側(cè)近壁面對(duì)流換熱系數(shù)

2.4 計(jì)算工況

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算工況設(shè)置如下：第1步施加螺栓小位移，模擬螺栓預(yù)緊狀態(tài)；第2步施加螺栓預(yù)緊力；第3步螺栓固定設(shè)置；第4步設(shè)置為熱機(jī)工況;第5步設(shè)置為冷機(jī)工況，此為第1個(gè)冷熱沖擊循環(huán)；第6步設(shè)置為熱機(jī)工況;第7步設(shè)置為冷機(jī)工況，此為第2個(gè)冷熱沖擊循環(huán)[10]。通常經(jīng)過(guò)2個(gè)熱沖擊循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此本文中只進(jìn)行2個(gè)循環(huán)的計(jì)算。

3 溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3.1 溫度場(chǎng)

利用Abaqus軟件對(duì)排氣管進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，排氣管故障段溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6所示(圖中單位為℃)。額定工況下排氣管最高溫度為805 ℃，小于排氣管材料QTANi35Si5Cr2的耐溫限值880 ℃。排氣管最高溫點(diǎn)位于管體中間部分的上部，與氣側(cè)邊界中的最高溫度所在位置對(duì)應(yīng)一致(見(jiàn)圖4)。故障區(qū)域附近溫度最高為763 ℃，與試驗(yàn)測(cè)得的排氣管外壁面溫度接近。同時(shí)，由溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，故障位置附近有較大的溫度梯度。

圖6 排氣管溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3.2 應(yīng)力場(chǎng)

排氣管熱機(jī)工況(即額定工況)和冷機(jī)工況下應(yīng)力場(chǎng)結(jié)算結(jié)果如圖7、8所示(圖中單位為MPa)。

圖7 排氣管冷機(jī)工況時(shí)的Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 圖8 排氣管熱機(jī)工況時(shí)的Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖7、8可知，排氣管在冷機(jī)工況承受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力位于排氣管故障位置，為284 MPa；熱機(jī)工況故障位置所受最大應(yīng)力為81 MPa。

提取排氣管故障位置的最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力變化曲線如圖9所示。最大應(yīng)力單元主應(yīng)力方向如圖10所示(圖中單位為MPa)。

圖9 排氣管故障位置Mises應(yīng)力變化曲線 圖10 排氣管故障位置應(yīng)力最大單元主應(yīng)力

圖11 排氣管上故障位置主應(yīng)力方向

由圖9、10可知，排氣管故障區(qū)域在熱機(jī)工況時(shí)承受壓應(yīng)力，在冷機(jī)工況時(shí)承受拉應(yīng)力；故障區(qū)域在冷機(jī)工況時(shí)承受的拉應(yīng)力較大，最大主應(yīng)力方向沿z軸方向，即排氣管長(zhǎng)軸方向，幾乎與裂紋方向垂直，如圖11所示。由圖7～11可以判斷，排氣管故障區(qū)域是在冷機(jī)工況下承受較大的拉應(yīng)力而發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

4 排氣管改進(jìn)方案

4.1 改進(jìn)方案三維模型

冷機(jī)工況下，由排氣管熱變形引起的較大拉應(yīng)力是排氣管產(chǎn)生裂紋故障的主要原因，因此改進(jìn)方案從抑制排氣管的熱變形方面入手，將故障區(qū)域結(jié)構(gòu)由鑄造單筋改為管體兩側(cè)鑄造雙筋，以抑制該處較大的熱變形，并減小冷機(jī)工況下排氣管收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。排氣管雙筋的設(shè)計(jì)位置位于歧管兩側(cè)邊緣，盡可能使其與歧管前后側(cè)管壁平齊，最大可能增大該處的剛度，減小排氣管熱變形[11-12]。改進(jìn)后排氣管的三維模型如圖12所示。

圖12 改進(jìn)方案排氣管三維模型

4.2 改進(jìn)方案應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

采用與原方案相同的計(jì)算邊界和工況設(shè)置，對(duì)改進(jìn)后的排氣管進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，結(jié)果如圖13、14所示(圖中單位為MPa)。由圖13、14可知，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的排氣管歧管與總管相交處的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)筋的圓角處，該處在冷機(jī)工況承受的最大拉應(yīng)力為197 MPa，比改進(jìn)前降低87 MPa，改進(jìn)效果明顯；該處在熱機(jī)工況時(shí)承受的最大壓應(yīng)力為82 MPa，與改進(jìn)前一致。

圖13 冷機(jī)工況改進(jìn)排氣管Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 圖14 熱機(jī)工況改進(jìn)排氣管Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1)針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋故障，用熱機(jī)耦合方法模擬故障狀態(tài)，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果提出鑄造筋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。將改進(jìn)方案搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)行3000 h，無(wú)開(kāi)裂故障發(fā)生，改進(jìn)方案有效。

2)排氣管仿真計(jì)算溫度梯度較大和應(yīng)力最大的位置是風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域，容易發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

3)排氣歧管與排氣總管之間設(shè)計(jì)合理的雙筋結(jié)構(gòu)，相比單筋結(jié)構(gòu)可以更加有效的抑制排氣管過(guò)大的熱變形，防止冷機(jī)工況下產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，以防裂紋故障發(fā)生。