熱構耦合分析在一體式排氣歧管支架開發(fā)中的應用

張貴強， 王榮吉, 陳潤生, 謝 雷， 劉 杰， 王海耀

(1.泛亞汽車技術中心, 上海，201201， 2.克康(上海)排氣控制系統(tǒng)有限公司，上海，200131)

熱構耦合分析在一體式排氣歧管支架開發(fā)中的應用

張貴強1， 王榮吉1, 陳潤生1, 謝 雷2， 劉 杰1， 王海耀1

(1.泛亞汽車技術中心, 上海，201201， 2.克康(上海)排氣控制系統(tǒng)有限公司，上海，200131)

實際工作中遇到的許多一體式排氣歧管發(fā)動機耐久試驗失效主要與支架失效有關.通過低周疲勞理論知識，以及材料疲勞原理，采用CAE/試驗的方式，對一體式排氣歧管進行低周疲勞分析和試驗驗證。 文中介紹了在設計前期低周疲勞造成的支架損壞的預測方法，并在后期試驗中驗證預測方法的有效性，從而將此方法運用到排氣歧管支架的研發(fā)中.

支架設計；排氣歧管；低周疲勞；塑性應變；熱應力

近幾十年來，受能源日益枯竭、油價不斷上漲、全球變暖等問題困擾，現(xiàn)代汽油發(fā)動機需要做到小排量，高性能，低油耗，低排放.排氣歧管作為發(fā)動機的關鍵零部件，在發(fā)動機性能開發(fā)中起著非常重要的作用， 不僅承擔了將高溫廢氣引出的功能，還需要為氧傳感器提供最佳安裝位置給發(fā)動機控制器提供精確的空燃比的信號，同時以最優(yōu)化方式將廢氣引入到三元催化器，滿足排放法規(guī)要求.支架是發(fā)動機排氣系統(tǒng)緊鄰發(fā)動機的連接點，使用條件非常嚴酷.支架設計的優(yōu)劣將影響整個歧管系統(tǒng)的耐久.目前產品開發(fā)過程中，一體式排氣歧管在試驗中經常出現(xiàn)開裂失效，而解決辦法是，哪里出現(xiàn)失效，加強哪里的局部設計.最終導致系統(tǒng)質量增加，開發(fā)成本增加，以及開發(fā)周期拉長.為了解決以上的問題，文中就支架的開發(fā)，從結構強度，材料的低周疲勞的原理，進行設計、分析、優(yōu)化、試驗，得到支架開發(fā)設計耐久失效預測方法，有效的解決了排氣歧管系統(tǒng)在發(fā)動機惡劣環(huán)境條件下的開裂失效問題.

1 一體式排氣歧管的低周疲勞分析

一體式排氣歧管集成了排氣歧管與三元催化器，它將發(fā)動機燃燒的尾氣排出發(fā)動機并對其中的HC、CO、NOx進行凈化.發(fā)動機重復啟動、熄火將導致一體式排氣歧管系統(tǒng)在不斷變化的高低溫環(huán)境下工作.冷熱循環(huán)、最高溫度以及溫度變化率對于產品的壽命有直接影響，因此，對一體式排氣歧管系統(tǒng)進行低周疲勞分析是十分必要的.

1.1 低周疲勞分析的理論基礎

產品在不同的冷熱循環(huán)下具有不同的熱疲勞壽命，熱疲勞壽命主要與熱循環(huán)的最高溫度、溫度差、高低溫駐留的時間以及溫度的變化率引起的熱應力有關.隨著計算機技術的發(fā)展，有限元模型已經能夠準確的模擬分析熱疲勞循環(huán)及壽命.

熱構疲勞的最主要裂紋擴展模型有損傷累積、頻率分隔、延展性耗盡、應變范圍分區(qū)、總應變法、應變能等[1]，每個模型在溫度和周期應變領域都是十分有用的，并且有對應的公式與實驗.

一體式排氣歧管系統(tǒng)屬于發(fā)動機的熱端系統(tǒng)，文中采用疲勞應變法判斷結構的低周疲勞壽命.根據(jù)材料在各種溫度下的屬性， 通過Coffin-Manson方程可以預測零部件的壽命[2].塑性應變和疲勞壽命之間的關系為Coffin-Manson方程[1]

(1)

1.2 低周疲勞有限元分析

低周疲勞分析的步驟：①基于流體分析得出一體式排氣歧管內表面熱交換系數(shù)，計算其溫度場；②將溫度場作為載荷加載到一體式排氣歧管模型，計算熱應力、應變;③將載荷降低到常溫，再計算熱應力以及累加的應變.基于設計需求，以上步驟重復3到5次，計算得到累加等效塑性應變，以及冷態(tài)和熱態(tài)之間的應變差值，與材料性能指標進行對比和評估.其中，低周疲勞的分析循環(huán)如圖1所示.

圖1 低周疲勞分析循環(huán)

針對某一體式排氣歧管總成，采用以上的方法進行低周疲勞分析.排氣歧管本身采用二階四面體單元C3D10，三元催化器總成采用六面體單元C3D8，一體式排氣歧管系統(tǒng)的數(shù)模和材料清單如圖2和表1所示.

圖2 排氣系統(tǒng)模型

表1 排氣系統(tǒng)材料

No.零件材料1進氣法蘭SPHC2歧管管道SUS4413進氣端錐SUS4394氧傳感器座409Cb5殼體409L6催化器載體Ceramic7襯墊Ceramicfiber8出氣端錐SUS4399出氣法蘭409L10支架409L11出氣管道409L

采用ABAQUS有限元軟件，計算得到催化器溫度場分布如圖3所示，排氣的最高溫度位于催化劑，約為900 ℃，排氣歧管的溫度為660 ℃-720 ℃，支架的溫度約246 ℃.選用的材料能夠滿足溫度的使用要求.

同時也計算得到冷態(tài)和熱態(tài)的等效塑性應變(PEEQ)[3]，如圖4所示，在支架折彎處存在大的PEEQ的累積.觀察各個循環(huán)之間應變累積的程度變化，即最后的冷循環(huán)與熱循環(huán)兩步之間的PEEQ的差值，如圖5所示.

圖3 溫度場分布

圖4 第3循環(huán)熱/冷狀態(tài)的PEEQ分布

圖5 PEEQ差值分布

圖6顯示了3個熱循環(huán)和冷循環(huán)下支架上的PEEQ的差值，其結果小于2%，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，等效塑性應變的增量逐漸減小.基于SS409材料的性能，設計滿足材料無限壽命的設計要求.

圖6 3個循環(huán)的冷/熱狀態(tài)下的PEEQ

由于分析中存在一些假設和計算誤差，一體式排氣歧管的設計需要最終通過疲勞試驗測試來驗證設計.因此，文中基于分析方法以及最終的產品使用條件，設計了低周疲勞試驗.

2 低周疲勞試驗

2.1 低周疲勞試驗設置

為了驗證一體式排氣歧管的熱態(tài)壽命，設計了高低溫冷熱循環(huán)試驗來驗證設計是否能夠滿足發(fā)動機的耐久要求.圖7表示了熱循環(huán)的控制圖，最高進氣溫度為950 ℃，其溫度周期為12分鐘，總共進行800個循環(huán)的試驗.

圖7 低周疲勞熱循環(huán)圖

為了模擬均勻分布的高速熱流，通過一個分流裝置，將高溫氣流均勻的分流到4個氣道中.監(jiān)測4個氣道上的溫度，以及4個氣道交匯處的溫度情況同時被監(jiān)控，具體的設置如圖8所示.

圖8 試驗設置圖

2.2 低周試驗后處理

如表2，樣件泄漏量和內部載體的位移量均符合設計的要求.其中，泄漏量小于0.5 L/min，載體的位移量小于2 mm，這說明支架的設計足以支撐排氣歧管結構.

另外，對排氣歧管結構的流體雷諾系數(shù)[4]也作了進一步分析，流體阻力系數(shù)滿足15%的變化之內的設計要求.見圖9.

圖9 試驗前后零件的雷諾系數(shù)圖

表2 樣件泄漏量和內部載體的位移量

100KPa壓力下泄漏量/L載體位移/mm測試前測試后測試前測試后3A01863A01930000000.30.3

同時，為了驗證零件的完整性，按照JB/T4730.5-2005《承壓設備無損檢測》對試驗后的各個焊縫進行了檢測，其檢測結果符合I級標準，即試驗后的零件沒有任何損壞.零件檢測的焊縫位置如圖10所示.

圖10 試驗后零件圖

2.3 低周試驗結論

兩個零件進行800循環(huán)的試驗后，使用滲透法分析焊縫，所有焊縫均完整，結構上亦無任何開裂、破壞，表明試驗后的零件的完整.因此，通過低周疲勞分析進行的支架設計能夠滿足系統(tǒng)的要求.

3 結 論

一體式排氣歧管的支架設計是一個系統(tǒng)的開發(fā)過程，涉及到振動學、熱學、力學等方面的知識，文中從熱學方面闡述了支架設計的方法，以及通過相應的低周疲勞試驗驗證了設計.今后還需要對高周疲勞、振動、預裝應力、結構耐久等方面做進一步的研究，從而完全揭開排氣歧管支架設計的物理原理，更好的為汽車，特別是汽車動力總成方面做出更大的貢獻.

[1] Zhuag W Z, Swansson N S，Thermo-mechanical fatigue life prediction: a Critical review; DSTO-TR-0609 [R] Australia: Aeronautical and maritime Research Laboratory,1998.

[2] Dowling N E.Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue[M].3nd ed. U.S. Pearson Prentice Hall,2009.

[3] Wang M, Yang H, Sun Z C.et al, Analysis of coupled mechanical and thermal behaviors in hot rolling of large rings of titanium alloy using 3D dynamic explicit FEM[J]Journal of materials processing technology,2009(7):3384-3395.

[4] Sinnott R K.Chenmical engineeing design[M].4nd ed. Elsecier,2009.

Application of Thermo-mechanical Simulation in Development of Integrated Exhaust Manifold Bracket

ZHANG Gui-qiang1， WANG Rong-ji1, CHEN Run-sheng1, XIE Lei2， LIU Jie1， WANG Hai-yao1

(1.Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai, 201201， 2.Katcon (Shanghai) Exhaustion Control Systems Ltd.，Shanghai, 200131)

Many integrated exhaust manifold damaged during the engine durability test, and the main reason of the parts failure was traced to its bracket structure. With the help of both the Low cycle failure theory and the metal material fatigue principle, the corresponding analysis and test verification of the manifold were carried out. The method to predict the damage of the bracket before strength design was introduced, and the validity of the method was verified in the later bench test. The method can be applied to the development of the integrated exhaust manifold bracket.

Bracket design, Exhaust manifold, Low cycle failure, Plastic strain, Thermal stress

1009-4687(2014)04-0058-05

2014-12-24

張貴強(1979-)，男，工程師，研究方向為發(fā)動機開發(fā)及項目管理.

U467.4+8

A