基于ANSYS的发动机排气歧管的热疲劳断裂分析
Chao Lu
陕西工业大学物理系，陕西汉中，中国，wlxchaolu@yahoo.com.cn
关键词:发动机排气歧管，热疲劳断裂，热应力，有限元
摘要:发动机排气歧管的热疲劳断裂将影响其使用寿命和发动机工作。为预防和解决这个问题,本文采用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型,模拟排气歧管的工作环境，并计算热负荷下的稳态温度分布场。通过对流体的热应力分析，确定了最容易产生热应力和断裂的区域，进行了失效分析，分析了存在的问题，分析了排气歧管的热疲劳断裂原因，为优化排气歧管提供了可靠的依据。排气歧管的热疲劳破坏在结构改善后得到了较好的改善。
- 简介
长时间运行在高海拔、恶劣的路况、多坡、长距离、过载、高温等条件下，可能会导致发动机过载、发动机过热。当发动机过载时，在高温热膨胀的结果下产生的压缩应力场作用下产生的塑性变形。当发动机负荷较低时，温度的降低导致了局部拉应力的形成。热应力场的周期性变化构成热疲劳应力，导致排气歧管破裂。排气歧管是发动机的主要受热部件，在高温负荷下工作，振动高，工作条件极差。因为需要防止空气污染、噪音和提高燃油效率,在现代发动机设计中大量的新技术被使用,如新燃烧系统、加压、低热量损失、加强和替代燃料热量高，所有这些导致发动机的热负荷增加，气缸排气温度的增加,随后频繁发生的排气歧管热疲劳断裂。为了解决这一问题，利用有限元软件ANSYS模拟排气歧管工作环境，计算热场下的稳态温度分布，通过对流体的热应力分析，确定最容易产生热应力和断裂的区域，进行失效分析，并对材料和结构提出改进建议。
- 排气歧管传热原理和建模
发动机排气歧管固定在发动机气缸口上，发动机排气的高温废气直接排放到阀箱中。在发动机长期运行的过程中，排气歧管将持续受到热冲击的影响，这往往会破坏排气歧管的结构，影响发动机的正常工作。因此，有必要对排气歧管的工作环境进行模拟，计算稳态温度场的温度分布，以及温度差对管内外壁面温差的影响。在此基础上，找出歧管结构中最可能发生断裂的最大热应力点，并分析损伤原因，讨论预防以及解决问题的方法。
在工作时，排气歧管通过法兰连接到发动机气缸口，发动机的高温废气直接进入排气歧管通道。流动热废气与歧管内壁之间的热交换是对流换热。对于整个流体，内部和外部的壁面有温差，这个过程是热传导的热交换过程。废气的对流换热系数为h，周围流体的温度为Tf。排气歧管外壁暴露在空气中。在稳定状态下，对流换热是在外壁和它所接触的空气之间形成的。本文分析了排气歧管的传热机理，模拟了正常工作的热环境，并进行了温度和热应力计算。
- 热传导的基本功能
根据传热法则和能量守恒定律，我们可以建立排气歧管传热的函数，其中一个物体的瞬态温度场应满足以下方程：
其中：
rho;:材料的密度
CT:材料的比热
kx，ky，kz：导热系数沿着x，y，z轴
Q（x，y，z，t）：物体内部的热源强度
热传导的边界条件分为三类，即:第一种边界条件在边界上设置温度，通常为常数
Tw=常数 （2）
第二种边界条件通常将边界的热通量设为常数。
qw=常数 （3）
第三种边界条件设置了边界上物体与周围流体的对流换热系数h，以及周围流体的温度Tf，可以表示为
其中：
nx，ny，nz：在边界外的正常方向上的余弦
Tinfin;：环境温度
h：物体与媒体之间的传热系数
- 排气歧管温度场的有限元分析
A.材料属性
在分析中，排气歧管采用致密的石墨铁Ru T300。对于稳态传热，通常只需要定义特定的热量。它可以是常数，也可以是随温度变化的。在模型中，通过ANSYS的预处理模块，将对象的材料属性应用于单元Solid90的属性。
B.有限元分析和结果
排气歧管的模型由Solidedge组成。为了更好地分析流体内壁的工作，选择了半平面模型，并将其导入到ANSYS中。在热分析中，考虑到流体的完整性，没有焊接，没有装配，使用Solid90单元进行网格。根据流体的传热机理，内壁与外壁之间必须有温差。但是，为了能够利用有限元模型进行分析，可以忽略内壁与相应外墙之间的温差。因此，第一种边界条件应用于内壁和外壁，并将温度设置为常数。图1和图2是在稳定状态下，流体的内部和外部壁面的温度分布。图3和图4是沿某些路径的温度。从图1和图2可以看出，法兰的温度很高，排气歧管与发动机气缸端口相连。温度是780℃左右。为了分析流体墙的温度趋势，选择两条路径进行观测。图3显示了1号和4号通道外墙的温度变化情况。图4显示了通过管道1号和4号交叉口的分路壁的温度变化。从图3可以看出，沿壁的温度在下降，但在通道1和4的交点处，由于两股高温废气的汇聚，温度升高。在图4中，通过管壁，从内部到外部，温度呈线性上升，这接近于实际的热传导条件。
图1：温度沿着内壁分布 图2：温度沿着外壁分布
图3：沿路径1的温度变化 图4：沿路径2的温度变化
- 流体的热应力分析
通过对流体的稳态热分析，收集了流体的有限元模型各节点的温度。该结果用于热应力耦合计算。图5为流体的等效热应力轮廓。结果表明，法兰连接到发动机气缸口有明显的应力集中。它达到247.968MPa，是流体上最高的应力。它确实超过了流体的应力极限。然而，可以预见的是，这些地方是在长期使用后最可能损坏的地方。因此，在这些地方，应该从多方面的设计入手，以提高流体的强度。图6是流体的热变形轮廓。结果表明，其流体分布呈带状分布。最大的变化发生在靠近1通道的出口，尺寸为1.035毫米。这是因为对四个法兰的唯一约束是零，没有限制出口。因此，当流体的温度增加时，由热膨胀引起的位移累积到出口。
图5：流体的等效热应力等值线 图6：流体的热变形轮廓
- 排气歧管的改进
歧管断裂与热应力关系密切。热疲劳断裂与局部应力集中有关，应从材料、结构、连接等方面加以改进。
A.材料和结构改进
在选择材料时，发动机排气歧管的原铸铁通常可以为硅钼球墨铸铁，在高温下可以正常工作。它的工作原理。增加一些加强肋，以增加结构强度，并改善在某些地方的冷却，例如，法兰连接到发动机气缸口，底部的圆角上的歧管，和颈的歧管。除此之外，对于在流体上的凹槽处的壁面变薄的情况，以及在支索上的螺钉位置，取消了凹槽并增加了安装头的高度。它还可以降低热负荷，在歧管上增加通风口。
B.连接改进
发动机的温度通常是500℃~ 850℃,而螺栓、螺母连接前管和发动机排气歧管可能达到300 ~ 500℃,甚至更高,同时汽车运行时在振动。因此，螺母的工作环境是一个热振动。在发动机工作的同时，墙内的压力约为0.3 MPa。首先，双螺母锁紧结构形式是有帮助的。另外，发动机排气歧管和前管的螺纹连接部分是高温连接，经过一段时间的工作时间后，会产生应力松弛，减少了收缩，最终产生松动，影响了流体中排气气流的方向、速度和温度分布。因此，我们应该选择更好的螺栓和螺母的材质，以有效防止紧固件在使用寿命中的异常松动或失效。另一方面，为了方便更换和维护，我们应该注意在高温下被损坏的旋转线。通过对高温下接头的力学性能、可膨胀性和抗松弛性的初步分析，得出了连接排气歧管和前管的螺母早期松动的原因是，不正确的材料选择。
考虑高温下的抗氧化和腐蚀,高温下的松弛和阻力,并参照选择材料的外国汽车模型,我们选择螺栓和螺母材料是能够在400 ~ 900℃下进行工作,符合要求的排气歧管螺纹连接的工作环境。
- 结论
本文利用有限元软件ANSYS对汽车发动机排气歧管的工作环境进行了模拟，计算了稳态温度场下的流形的温度分布；通过热应力分析，发现了最容易发生热应力集中和断裂的区域，进行失效分析，找出故障原因，给出了改善结构、改善连接材料等相应的解决方案。它对合理的设计、使用和维护排气歧管具有积极的意义。
参考文献：
[1] Li Wei,Liu Kejun,ZHANG Yi-he. Fracture Analysis on Engine Exhaust Manifold. Automobile Technology amp; Material, 2006(06).
[2] Yang Wanli,Xu Min. Numerical simulation of thermal loads for engine exhaust manifold. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Nature Science Edition), 2006(12).
[3] LI Hongqing,Yang Wanli. Thermal Stress Analysis of ICE Exhaust Manifold. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2005(10).
某赛车涡轮增压汽油机排气歧管仿真分析与实验研究
XIUMIN YU, DINGCHAO QIAN, DA WANG, JINGZHI WANG and HU BI
摘要：本文采用计算流体动力学(CFD)模拟方法，研究了赛车涡轮增压汽油机的两种排气歧管设计，研究了流场分布特性和台架试验对实际使用效果的评价。仿真研究和台架试验结果表明，相同长度的排气歧管具有较好的流场分布特性，以减少排气阻力，提高容积效率，更有利于提高涡轮增压器效率和发动机功率。
简介：
排气歧管是发动机排气系统的重要组成部分。其设计直接影响发动机功率和燃油经济性。通过对排气歧管的流道均匀性和流动阻力进行综合评价，评价其设计是否合理。流体均匀性将影响氧传感器的检测精度，影响混合浓度的测量[1]。不准确的混合浓度会导致每个气缸的排气背压差，这对涡轮进口气压的稳定性有负面影响，并会导致燃烧循环的变化。流动阻力会影响发动机的容积效率，降低发动机效率[2]，因为过量的排气阻力会导致泵送损失。此外，更小和更少的排气歧管内部空气漩涡将导致更少的气流噪音[3]。对于涡轮增压发动机，排气歧管直接影响涡轮增压器的排气能量的利用效率，排气歧管出口的高流速将保证涡轮增压器的响应速度。因此，设计具有涡轮增压系统要求的排气歧管具有实际工程意义，是优化涡轮增压发动机工作过程的一种方法。
本文对0.6L型赛车涡轮增压汽油机的两种不同排气歧管形式进行了比较分析。首先，利用计算流体动力学(CFD)模拟分析了这两种排气歧管内部流场的流场特性。然后进行了台架试验，对两种排气歧管的实际效果进行了评价。
计算流体动力学(CFD)对排气歧管内流场的分析
排气歧管的物理模型
根据流道均匀性、流动阻力和出口速度的要求，提出了涡轮增压发动机的两种排气歧管设计。模型1是等长排气歧管的设计，即每个气缸歧管出口到总出口的长度相等，每个流体的长度为390 mm，如图1所示。模型2是一个不等长的排气歧管的设计，如图2所示。对于模型2，第一个和第四个流体的长度是185毫米，第二和第三个流体的长度是100毫米。这两种设计的几何尺寸相同，直径为29毫米，出口直径为26毫米。
图1：物理模型1 图2：物理模型2
GAMBIT被用作预处理器。对于模型1，有881114个元素和173042个节点。对于模型2，有1482671个元素和275763个节点。将Gambit预处理程序中的网格导入到FLUENT中。排气歧管的流体流动现象遵循物理学的基本规律，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分质量守恒方程。采用k-epsilon模型和近壁处理对湍流现象进行建模。在压力-速度耦合中采用了半隐式压力相关方程(SIMPLE)方法。
计算流体动力学(CFD)分析的基本假设和边界条
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