排氣歧管熱應(yīng)力模擬計算及缸蓋邊界條件影響的分析*

李 民 王站成 皮振新 徐 斌 李湘華

(1－河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院 河南洛陽 471003 2－廣西玉柴機器股份有限公司)

引言

近年來，隨著發(fā)動機強化程度的持續(xù)提高，排氣溫度不斷上升，使得排氣歧管裂紋故障頻現(xiàn)。目前對排氣歧管裂紋故障研究主要從材料、流場分析［1］、加工缺陷、振動分析［2］、熱應(yīng)力和熱疲勞［3］等方面考慮。某型號柴油機的排氣歧管在冷熱沖擊試驗過程中出現(xiàn)裂紋故障，在排除了加工缺陷和振動等因素的影響后，將注意力集中到排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。為確認(rèn)該排氣歧管裂紋的產(chǎn)生原因，本文用ABAQUS軟件對排氣歧管的熱應(yīng)力進行了計算分析，還分析了缸蓋建模和溫度設(shè)定對排氣歧管熱應(yīng)力計算的影響。

1 排氣歧管

在冷熱沖擊試驗過程中，圖1所示的某新型四缸柴油機排氣歧管，在3缸與4缸歧管的交匯處出現(xiàn)裂紋故障。

圖1 出現(xiàn)裂紋的排氣歧管

2 計算模型及邊界條件的確定

排氣歧管熱應(yīng)力計算模型包括歧管、模擬缸蓋、連接螺栓，各部件所用材料及材料特性見表1。排氣歧管與缸蓋連接螺栓預(yù)緊力為12500N，歧管與缸蓋(鑄鐵——鑄鋁)摩擦系數(shù)為0．2，螺栓與排氣歧管(蠕鐵——鋼)摩擦系數(shù)為0．15。圖2所示的排氣歧管溫度場由CFD計算的歧管內(nèi)外壁面的溫度和對流換熱系數(shù)模擬得到［4］，設(shè)定排氣歧管與缸蓋和增壓器連接的端面絕熱，螺栓溫度300℃，缸蓋溫度150℃。

圖2 排氣歧管溫度分布

表1 材料及材料特性

3 排氣歧管熱應(yīng)力計算結(jié)果及分析

3．1 故障區(qū)熱應(yīng)力計算結(jié)果

排氣歧管的應(yīng)力分布見圖3，故障處的Mises應(yīng)力與主應(yīng)力分布見圖4。由圖3可以看出在3缸與4缸歧管的交匯處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力集中有可能導(dǎo)致故障處出現(xiàn)裂紋［5］。由圖4a顯示，故障區(qū)最大Mises應(yīng)力為199．6MPa。從圖4b可看出，裂紋處的最大拉應(yīng)力為40．06MPa，位于歧管故障區(qū)內(nèi)表面(與燃?xì)饨佑|側(cè))，最大壓應(yīng)力為212．4MPa(與大氣接觸側(cè))。該歧管材料 RuTSi4Mo的抗拉強度為480MPa，抗壓強度比其抗拉強度高4～5倍，并有很好的高溫強度［6、7］。由計算結(jié)果可以判斷，排氣歧管的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力雖有一定的幅值，但它們都遠(yuǎn)低于材料的失效極限，并不直接使排氣歧管破壞，因此導(dǎo)致排氣歧管裂紋出現(xiàn)的原因應(yīng)該是熱應(yīng)力波動引起的熱疲勞破壞。

圖3 排氣歧管應(yīng)力分布

圖4 故障區(qū)應(yīng)力及應(yīng)力方向

3．2 模擬缸蓋溫度對歧管熱應(yīng)力計算的影響

缸蓋本身受熱會發(fā)生變形，其變形直接影響到排氣歧管變形和應(yīng)力。為了分析缸蓋溫度對排氣歧管熱應(yīng)力的影響，研究不同缸蓋溫度下排氣歧管變形和應(yīng)力的差異，設(shè)定缸蓋溫度分別為110℃、130℃、150℃、170℃，在排氣歧管自由變形計算時沒有缸蓋的約束，僅施加了排氣管溫度場。

圖5 節(jié)點位置設(shè)定

在排氣歧管故障區(qū)沿Z軸方向(水平方向)從右至左依次取12個節(jié)點，節(jié)點位置如圖5所示，從左到右分別標(biāo)號為N1～N12，以分析排氣歧管自由膨脹和不同溫度下的應(yīng)力與位移。為了排除缸蓋整體位移的影響，使不同溫度下的排氣歧管變形具有可比性，將各節(jié)點的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ谂艢馄绻苌瞎?jié)點N1的三個方向相對位移，計算結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 節(jié)點應(yīng)力

圖7 節(jié)點相對位移

由圖6可知，排氣歧管自由變形時，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部雖也產(chǎn)生了應(yīng)力，但應(yīng)力值很低。在排氣歧管與缸蓋裝配后，由于安裝螺栓的約束，排氣歧管自由變形受到限制，在其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。不同缸蓋溫度下各節(jié)點的熱應(yīng)力雖有一定差異，但高應(yīng)力區(qū)域的位置基本不變，都位于裂紋發(fā)生處的N6節(jié)點。隨缸蓋溫度的升高，各節(jié)點的應(yīng)力值有不同程度的增大，尤其是裂紋出現(xiàn)處的N6節(jié)點應(yīng)力變化最大。當(dāng)缸蓋110℃時，該點Mises應(yīng)力為165MPa，而溫度升到170℃時，則達到214MPa。

由圖7可以看出，與自由狀態(tài)下的變形相比，在受安裝螺栓約束的條件下，排氣歧管在X、Y、Z三個方向上的變形量均有明顯變化，其中X向變化幅度最大，Y向次之，Z向最小。在不同缸蓋溫度下N6節(jié)點在X、Y、Z三個方向上都呈現(xiàn)最大的變形差異，這也與該節(jié)點出現(xiàn)了最大應(yīng)力是對應(yīng)的。由此可以推斷，排氣歧管在冷熱沖擊試驗過程中出現(xiàn)裂紋的原因是，冷熱沖擊試驗時排氣管溫度變化很大，其內(nèi)部受缸蓋約束而產(chǎn)生的應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度的波動，最終導(dǎo)致在N6節(jié)點處出現(xiàn)疲勞裂紋。由圖7還可以看出，在受缸蓋約束的條件下，排氣管的變形也受缸蓋溫度的影響。缸蓋溫度升高，排氣歧管在約束條件下的變形量與自由變形差別增大，故障區(qū)應(yīng)力有所增大。

3．3 缸蓋建模方法對排氣歧管熱應(yīng)力計算的影響

排氣歧管安裝在缸蓋上，工作時變形量受缸蓋的約束，通過仿真來模擬應(yīng)力分布時，所建模型必須考慮缸蓋結(jié)構(gòu)的影響。通常情況下，有限元分析中缸蓋的建模是對完整的三維幾何模型做適當(dāng)?shù)暮喕员阌谶M行網(wǎng)格劃分。但在某些情況下，由于條件所限，有時排氣歧管制造商得不到完整的缸蓋模型，往往采取將缸蓋簡化為長方體模型。這必然會對計算結(jié)果帶來一定的影響，因此有必要對簡化帶來的影響進行評估。

圖8 兩種缸蓋模型及邊界條件

下面分別設(shè)定兩種缸蓋模型以分析缸蓋結(jié)構(gòu)對排氣管熱應(yīng)力計算的影響。第一種模型中，缸蓋采用完整的三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，即缸蓋按實際尺寸建模并做適當(dāng)?shù)暮喕?，缸蓋的約束是將缸蓋螺栓孔內(nèi)表面6個自由度固定。第二種模型，是用一個長方體來代替缸蓋，長方體的長度與厚度采用原缸蓋的尺寸，長方體的寬度設(shè)定為原缸蓋與歧管最近的缸蓋螺栓孔的距離，約束長方體上歧管安裝面的對應(yīng)側(cè)表面節(jié)點的6個自由度。圖8顯示了兩種缸蓋的有限元模型及邊界條件，圖9為排氣歧管出現(xiàn)裂紋處的熱應(yīng)力計算結(jié)果對比。

計算結(jié)果表明，使用兩種不同缸蓋模型計算出的排氣歧管熱應(yīng)力分布趨勢一致，但第一種模型(完整缸蓋模型)計算出的最大應(yīng)力比第二種模型(簡化的長方體模型)略大，說明兩種缸蓋建模對排氣管的約束作用基本一致，均可用于計算歧管的熱應(yīng)力。采用第二種缸蓋模型(簡化的長方體模型)建模簡單且計算量小，便于排氣歧管制造商快速查找故障原因。

4 結(jié)論

1)軟件仿真結(jié)果顯示，排氣歧管裂紋故障區(qū)和熱應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)的部位一致，說明軟件仿真時邊界條件及載荷施加是合理的。排氣歧管熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因是，當(dāng)其安裝在缸蓋上時，它的受熱變形受到了限制，在裂紋故障區(qū)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，在冷熱沖擊試驗時排氣歧管溫度的大幅度變化引起該處應(yīng)力的大幅度波動，最終導(dǎo)致排氣歧管應(yīng)力集中處熱疲勞而出現(xiàn)裂紋。

圖9 排氣歧管故障處應(yīng)力對比

2)缸蓋溫度升高時，排氣歧管在約束條件下的變形量與自由變形差別增大，故障區(qū)應(yīng)力有所增大。缸蓋溫度的設(shè)定僅會影響排氣歧管的應(yīng)力值，不會影響高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)的位置。

3)簡化的缸蓋模型和完整缸蓋模型計算出的排氣歧管熱應(yīng)力分布趨勢一致，因此采用簡化缸蓋建?？擅黠@減少計算量，便于排氣歧管制造商快速查找故障原因。

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