汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的熱疲勞性能研究.pdf

1、隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也同步升高。排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣首先流經(jīng)的部件，工作時(shí)處于高溫狀態(tài)。排氣歧管受熱會(huì)發(fā)生膨脹，在內(nèi)部及外部的約束下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。不斷的在受熱膨脹與冷卻收縮之間循環(huán)，排氣歧管容易產(chǎn)生塑性變形而最終產(chǎn)生裂紋、破壞。必須加大對(duì)排氣歧管熱負(fù)荷及熱疲勞性能的重視。基于此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)4A15S配套用排氣歧管進(jìn)行了熱疲勞性能研究。
　　本課題主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)對(duì)

2、排氣歧管內(nèi)流道進(jìn)行入口速度不變的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析。排氣歧管的功用是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣導(dǎo)入三元催化載體，最后經(jīng)排氣管排出機(jī)體。其流通性與流速均勻性是其最基本性能，需對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析以知悉該兩種性能。首先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果確定了流場(chǎng)分析所要采用的網(wǎng)格尺寸。采用經(jīng)由網(wǎng)格獨(dú)立性分析得到的網(wǎng)格尺寸，對(duì)排氣歧管內(nèi)流道進(jìn)行了入口速度不變的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析，結(jié)果表明該排氣歧管流通性及流速均勻性良好。
　　(2)提出可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)等效塑

3、性應(yīng)變的排氣歧管入口邊界條件等效方案。如若完全按照實(shí)際的排氣歧管出入口邊界條件對(duì)其采用流固熱耦合方法計(jì)算其工作時(shí)的穩(wěn)定熱負(fù)荷，計(jì)算量過大，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)難以滿足計(jì)算要求。根據(jù)質(zhì)量與能量守恒法則，對(duì)一維仿真結(jié)果提出了等效方案。建立簡(jiǎn)化模型，驗(yàn)證了等效模型可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變。
　　(3)建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真模型。為獲取排氣歧管熱負(fù)荷分析的邊界條件，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)4A15S一維性能仿真模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明該仿真模型

4、計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符，可用于后續(xù)研究。
　　(4)排氣歧管熱負(fù)荷分析。利用等效的入口邊界，采用體映射方法，對(duì)排氣歧管建立流固熱耦合模型，計(jì)算得到一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)排氣歧管的熱負(fù)荷，找到排氣歧管最危險(xiǎn)位置。
　　(5)排氣歧管熱疲勞壽命分析。利用計(jì)算得到的排氣歧管在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的等效塑性應(yīng)變?cè)隽浚éEEQ），采用Manson-Coffin公式計(jì)算了排氣歧管熱疲勞壽命。分析了Manson-Coffin公式中的材料常數(shù)C和α值對(duì)采用Ma

5、nson-Coffin公式計(jì)算得到的熱疲勞壽命的影響。結(jié)果表明應(yīng)用Manson-Coffin公式計(jì)算排氣歧管熱疲勞時(shí)，α值的選取極為關(guān)鍵，對(duì)最終計(jì)算到的結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命有極大影響。以歧管壁厚、線膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度及彈性模量為設(shè)計(jì)變量，對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。分析結(jié)果表明，4個(gè)參數(shù)中，排氣歧管熱疲勞壽命對(duì)排氣歧管壁厚最敏感;材料參數(shù)中，排氣歧管熱疲勞壽命對(duì)線膨脹系數(shù)最敏感;歧管壁厚、屈服強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)與排氣歧管熱疲勞壽命

6、成正相關(guān)。
　　本課題的創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)提出了可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變的排氣歧管入口邊界條件等效方案，并建立簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證了該等效方案。該等效方法較常用的時(shí)域平均方法而言，計(jì)算簡(jiǎn)單方便，可行性更高，在流固熱耦合計(jì)算時(shí)，能實(shí)現(xiàn)流固間位移與壓力等物理量的動(dòng)態(tài)傳遞。
　　(2)對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，找到了對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命最敏感的參數(shù)。
　　(3)采用體映射方法建立了排氣歧管流固熱耦合分