基于流固耦合方法排气歧管热机械疲劳分析（上）
4 排气歧管热机械耦合分析
4.1 约束和外部载荷定义
施加在排气歧管上的主要载荷有热载荷，即温度场，螺栓预紧力和外部激励。在FEA分析中螺栓预紧力通常在第一个载荷步进行加载，以连接排气歧管和缸盖，以及排气歧管和增压器涡轮机，同时打紧力矩不超过螺栓材料的屈服极限。为了评估螺栓预紧力衰减情况考虑了螺栓最大和最小预紧力的影响。在表3中总结了对各零部件装配所需的螺栓预紧力。为了验证密封接触是否存在失效的可能，必须采用最小螺栓预紧力作为关键载荷步。
表3 螺栓预紧力范围
最大排气压力约为3.5bar将施加在排气歧管内壁面。此外，在非线性静结构模型中增压器和缸盖部分需要对X，Y和Z方向的位移进行约束以避免整个模型出现刚体运动。在排气歧管装配体中，各个零部件需要定义接触对关系进行组合，表4中给出不同零部件间接触对类型以及滑移系数。
表4 零部件接触对类型定义
4.2 载荷步定义
非线性应力-应变分析中主要载荷类型有装配载荷，热载荷和废气压力。初始载荷步为螺栓预紧力以固定排气歧管和增压器等。随后加载不同工况下的温度场和排气压力。为了考虑稳定的粘弹性效应，热机械分析将重复执行三次。每个载荷步的详尽描述如表5所示。
表5 载荷步定义
4.3 应力-应变和热疲劳分析
在额定功率点和低怠速工况下，不同载荷组合下的排气歧管应力分布云图见图14。排气歧管没有出现明显的应力集中现象。最大应力位置位于螺栓凸台和螺栓孔边缘，这是由于螺栓和螺母直接接触导致的，这些应力值不是主要考察对象。排气歧管内表面应力幅值较小且低于材料疲劳极限，因此排气歧管直接失效的可能性较小。排气歧管最可能的失效方式可归咎为在热冲击试验过程中所产生的热疲劳。
图14 排气歧管装配体温度场分布
对于密封垫片主要需要关注其密封性能，这取决于垫片与法兰之间的接触压力。从图15可以观察到在不同载荷工况下垫片接触压力值均高于极限值15MPa的要求。气体泄漏问题可能不会出现，但仍需要有关供应商进一步试验验证。等效塑性应变范围和总的累积塑性应变通常被认为是在热机械疲劳分析中的失效标准。基于等效塑性的TMF分析结果显示在图16中。根据相关的评判标准新设计的排气歧管失效可能性较小，但仍需要在试验台架上执行验证。
图15 密封垫片压力分布情况
图16 第三个循环之后的等效塑性应变
当针对新设计排气歧管模拟分析完成后，根据优化设计方案铸造了排气歧管样件。排气歧管样件安装到满足国V排放的增压柴油机上，然后执行热冲击试验以验证其可靠性。从图17中可以发现新设计排气歧管在500小时热冲击过程中没有发生热机械疲劳失效。
图17 排气歧管热冲击试验前后对比
5 结论
(1)基于1D热力学模拟，3D CFD和FEM计算的分析流程可对排气歧管应力分布进行较为精确的预测。
(2)在制作样件之前，根据计算结果可以很便利地去调整排气歧管关键位置的几何结构，而不需要更长的验证周期并缩减时间和成本。
(3)对于TMF分析，三个循环周期内总的累积塑性应变和第三个周期内的等效塑性应变范围被视为衡量排气歧管开裂的有效标准。
(4)排气歧管样件在经历500小时的热冲击试验后没有出现热机械疲劳失效。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
