1 概述
隨著世界各國環保機構制定日益嚴苛的排放法規和燃油經濟性指標，促使內燃機輕量化，進一步降低排放和提升功率輸出逐漸成為主流發展方向。然而，為了實現更佳的SCR(選擇性催化還原)系統轉換效率，這就要求盡可能提高排氣溫度，從而導致排氣歧管開裂或熱疲勞失效。
排氣歧管通常必須承受高熱負荷沖擊，因為其直接與高溫排氣相接觸，僅只能通過熱傳導至缸蓋，熱輻射和自然或強制對流到周圍環境中進行冷卻，這可能造成局部出現較大的瞬態溫度梯度。更高的功率密度意味著排氣系統中排氣溫度進一步升高。由于熱機械疲勞所導致的排氣歧管開裂已經演變成為影響內燃機安全性和可靠性的關鍵性因素，而其根本原因在于排氣溫度的上升，以滿足目前排放法規和客戶對燃油經濟性的要求。
許多研究學者認為塑性變形被看作是排氣歧管開裂的主要原因。FEV工程師提出應當選擇成本效益好的材料去利用其強度潛力而不是簡單用昂貴的材料替代。
在一系列文獻中均涉及到引用塑性應變極限作為針對疲勞破壞重要的影響因子。排氣歧管設計主要方向就是盡可能使熱應力和熱變形最小化。排氣歧管內壁面直接與高溫燃氣相接觸，因此必須承受因發動機熱機和冷卻過程所引起的循環熱載荷。排氣歧管關鍵位置上的交變熱應力將形成累計塑性應變，最終影響歧管壽命。Carlo R.等闡述了鑄鐵排氣歧管熱結構特性，評估了應力-應變結果并以試驗數據加以驗證。Watanabe Y.等發現許多熱疲勞失效應歸因于高溫時的壓縮應變。因此，塑性應變范圍可作為裂紋萌生評判標準。Choi,B.L.等認為在經歷重復循環熱沖擊后，最大應變范圍(0.454%)可以通過穩定的應力-應變滯回線評估。Simone,S.等提出高低溫循環產生的應力-應變滯后直接與低周熱疲勞有關。然而也有部分研究學者也堅持認為蠕變對總損傷很關鍵。Hazime,R.M.等利用瞬態非線性有限元分析方法得到了鑄鐵或鋼質排氣歧管的非彈性變形，同時得出的結論是蠕變導致了裂紋萌生。Kawano,H.等提出在FEA模型中考慮蠕變可改善評估精度。此外，Santacreu,P.O.和Mohrmann,R.等采用粘塑性應變評估排氣歧管壽命。
排氣歧管高周疲勞通常源于外部動態載荷。HCF問題主要與支撐或支架設計相關，一般不涉及到排氣歧管。對于整個排氣系統首先執行頻率分析，即模態分析，然后確保在主發動機階次頻率范圍內不發生共振。
本文針對國VI增壓柴油機排氣歧管執行了基于單向間接耦合的熱機械疲勞分析。相比上述評估方法，研究發現在三個熱沖擊循環內所產生的總的累積塑性應變和第三個循環的等效塑性應變能有效地預測排氣歧管設計是否開裂。為了結構設計驗證，對新設計的排氣歧管制作了樣件，然后在試驗臺架上進行了冷沖擊和熱沖擊試驗驗證。
2 排氣歧管瞬態CFD模擬
2.1 邊界條件定義
排氣歧管計算流體域應從實體空腔提取。整個流體域由離散成眾多有限微體積單元所組成。HyperMesh劃分網格后總的單元數量大致為30萬左右，其絕大部分為六面體，剩下的是四面體和金字塔。排氣歧管流體域入口，出口和壁面位置的定義如圖1所示。
圖1 排氣歧管入口、出口和壁面位置定義
進氣，壓縮，燃燒膨脹和排氣過程的模擬是基于1D熱力學模型，相比3D CFD分析可節省大量計算時間，同時可為排氣管瞬態3D模擬提供詳盡的邊界條件。
廢氣通過排氣歧管流出并與固體壁面發生對流傳熱。入口和出口邊界條件來自于整機1D熱力學模擬結果，并根據臺架試驗數據對整機模型進行標定。為入口位置指定質量流量和溫度作為邊界，比如inlet_01對應氣缸Cylinder_01，以此類推。在額定功率工況下依照點火順序，入口質量流量和溫度隨曲軸轉角的變化分別見圖2和圖3。類似地，也可以為低怠速工況定義同類型入口邊界。
圖2 排氣歧管各入口質量流量
圖3 各入口溫度變化曲線
對于排氣歧管出口位置的邊界則指定為靜壓和溫度，其變化趨勢如圖4所示。
圖4 出口靜壓和溫度
除了入口和出口邊界外，流體域壁面必須通過間接迭代方式與排氣歧管實體壁面相耦合，即FEA至CFD和CFD到FEA。一般而言，流體壁面單元與有限元殼單元分布并不相一致，因此基于CFD分析計算得到的時間平均的換熱系數和溫度必須通過插值后映射到FEA網格單元。一旦第一輪迭代計算完成，又將實體壁面溫度場導出并作為CFD分析的壁面邊界條件，然后開始第二輪迭代計算，以此重復往復。每一輪迭代計算后，需要檢查結果是否充分收斂。當相連兩輪迭代之間的計算值差異小于0.5%，則被視為充分收斂。流體壁面和實體壁面的耦合方式見圖5，即單向間接耦合過程。相比雙向直接耦合方法，單向間接耦合更為高效，時間成本更低。
圖5 FEA內壁面與CFD流體壁面相耦合
3 排氣歧管傳熱分析
3.1 零部件材料屬性
排氣歧管通常由鑄鐵或雙壁面焊接金屬制造而成。鑄造排氣歧管目前已廣泛應用于汽油機或柴油機。排氣歧管應當有足夠的剛度以滿足在發動機開發過程中所需的主要設計目標，比如動力性能，燃油經濟性和排放。為了實現催化劑快速和高效啟動反應，廢氣溫度應該進一步提升以確保催化劑更高的轉化效率，而排氣歧管也將承受更高的熱負荷。
在設計初始階段，確定哪種材料可用于排氣歧管是至關重要的。平均廢氣溫度通常是材料選擇的一個重要參數，可將它作為材料最高溫度極限的設計參照。依照目前的設計目標，其最高廢氣溫度約為760℃，因此，選擇鐵素體球墨鑄鐵GGG 55 SiMo作為排氣歧管和增壓器渦殼材料，其材料屬性高度依賴于環境溫度，即隨溫度變化而差異明顯。GGG 55 Si Mo的彈性模量和導熱系數隨溫度的變化見圖6和圖7。
圖6 GGG 55 SiMo變溫下的彈性模量
圖7 GGG 55 SiMo變溫下的導熱系數
GGG 55 SiMo其應力-應變曲線可在材料性能測試實驗室在變溫條件下通過拉伸試驗確定。考慮了材料非線性特性，即高于比例極限，非彈性變形階段，其測試結果如圖8所示。
圖8 GGG 55 SiMo應力-應變曲線
排氣系統中其它部件包括缸蓋，增壓器渦殼和雙頭螺栓。其材料有關屬性如表1所示。
表1 零部件材料屬性
此外，排氣歧管和缸蓋之間的密封墊片其加載和卸載性能曲線參考了類似墊片的材料屬性。圖9中所示的墊片材料屬性由相應的供應商提供。
圖9 密封墊片加載-卸載特性
采用四面體二階單元離散相關零部件，比如排氣歧管，缸蓋和增壓器渦殼等，已建立用于有限元分析FEA模型，而螺栓和墊片劃分成六面體單元。FEA模型總的網格數量約為54.4萬單元，所有部件的裝配模型如圖10所示。
圖10 排氣歧管裝配FEA模型
3.2 映射熱邊界條件
排氣歧管溫度場分布是進行結構分析最為重要的邊界條件。3D CFD計算結果傳遞局部換熱系數和近壁面氣體溫度，然后在一個工作循環周期內進行平均處理，即得到時間平均的換熱系數和近壁面氣體溫度。除了排氣歧管內壁面的對流換熱外，排氣歧管外壁面的對流換熱和熱輻射對傳熱分析也至關重要。時間平均的換熱系數和近壁面氣體溫度一般會隨發動機實際工況而產生變化。對于額定功率點和怠速工況，其二者的時間平均換熱系數和近壁面氣體溫度如圖11和12所示。
圖11 平均換熱系數和溫度-額定功率
圖12 平均換熱系數和溫度-低怠速
缸蓋內部冷卻液流動和傳熱基于穩態分析方法，冷卻水套入口和出口邊界條件來自于臺架試驗測試數據。入口邊界指定為速度類型，而出口則為靜壓值。執行穩態CFD模擬分析以獲得冷卻水套壁面的換熱系數和近壁面流體溫度，然后將其映射到缸蓋內部冷卻液流經的壁面，如圖13所示，同樣涵蓋了額定功率和低怠速兩個工況點。
圖13 冷卻水套與缸蓋實體壁面間的映射
3.3 溫度場計算結果
穩態傳熱分析其余邊界條件的定義均匯結在表2中，主要包含了機油接觸區域的換熱系數和溫度，缸蓋火力岸換熱系數和溫度以及排氣歧管對周圍環境的熱輻射。
表2 其余邊界條件定義
排氣歧管裝配整體溫度場分布情況如圖13所示，包括額定功率點和低怠速工況。從圖中可以發現當轉速為3000rpm時排氣歧管最高溫度約為640℃，大致位于排氣歧管總出口位置，即渦輪機入口位置。根據相關設計標準，最高溫度低于材料發生微觀機構變形所允許的最高溫度，即排氣歧管不會發生微觀過度變形。排氣歧管溫度場將通過耦合接口傳遞到結構分析模塊并作為其熱邊界條件。
圖13 排氣歧管裝配體溫度場分布
基于流固耦合方法排氣歧管熱機械疲勞分析（下）
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.guhuozai8.cn/
相關文章
