基于流固耦合技术的发动机排气歧管热应力计算分析

【摘 要】 采用流固耦合技术进行发动机排气歧管的热应力计算，采用AVL FIRE软件计算排气歧管内流场，并利用MATLAB软件编程将FIRE软件输出结果映射至有限元网格上，最后利用ABAQUS软件计算排气歧管的温度场和热应力。计算结果表明，计算结果与试验结果得到了很好的吻合，并给出了合理的建议。

【关键词】 流固耦合 排气歧管 热应力 有限元

排气歧管直接与缸盖相连，负责及时畅通地把发动机高温排气传递给后续的排气系统，长期受高温气体的侵蚀，其工作环境十分恶劣。排气歧管的温度大小及分布对其热应力有着非常重要的影响，进而影响其工作可靠性。快速准确的对其进行温度场和热应力的计算分析，为排气歧管结构设计及材料选择有着重要的意义。

“反算法”是目前国内学者对发动机主要部件进行热应力的研究方法[1-3]，即首先实测几个关键点的温度，并反复调整热边界条件，最终使得关键点的计算值与实测值接近，这种方法不但计算量大，而且无法在排气歧管设计阶段对其热应力水平做出评估。

利用流固耦合技术对排气歧管的热应力水平进行评估是目前国际上普遍采用的方法，具体的说，既是采用流固耦合的方法来计算排气歧管的温度场及热应力，其热边界条件是通过CFD模拟出来的，不需要实测就可以得到比较精确的温度场信息。

本文以某六缸柴油机排气歧管为研究对象，分别分析不加筋板及加入筋板后的排气歧管热应力分布状况，并根据计算结果给出合理建议。

1 计算过程

1.1 计算流程

排气歧管热应力分析分为三个部分：排气歧管内流场和温度场计算、排气歧管温度场计算及排气歧管热应力计算。首先，通过AVL FIRE软件根据AVL BOOST软件计算得到的发动机性能数据计算排气歧管的内流场和温度场；之后，将FIRE计算出的排气歧管的内壁表面温度场和换热系数映射到有限元网格上，通过ABAQUS计算出排气歧管的温度场；在排气歧管的温度场基础上，计算其热应力。

1.2 计算模型

1.2.1 内流场分析模型

排气歧管内流场分析采用FIRE软件进行分析，其目的是为排气歧管的传热分析提供必需的热边界条件。由于排气歧管内流场的压力和温度随时间不断变化，需要进行瞬态分析，在这里使用最为直观的发动机转角（Crank-Angle）模式进行计算，并通过角度增量控制求解步长。求解最终角度设置为2880°，为周期720°的四倍，这是为了让内流场进入一个尽可能稳定的循环工作状态，减小瞬态效应。

边界条件的设置为：进出口边界条件为AVL BOOST软件计算所得，计算转速为2500r/min，进口输入流量数据和温度数据，出口输入总压和温度数据，其余为壁面边界条件，湍流模型采用k-zeta-f模型。

1.2.2 有限元分析模型

本文对排气歧管进行的有限元分析包括传热分析和热应力分析。即先对排气歧管进行传热分析，得到排气歧管上的温度分布之后将其映射到结构计算中，进行热应力计算。其有限元计算网格模型见图1.

对于传热边界，排气歧管外部使用自然对流散热边界，散热系数为1.0e-5W/（mm2・k），温度为80℃。排气歧管内壁边界即为FIRE软件计算排气歧管内流场所得的温度和换热系数。FIRE软件输出的数据需利用MATLAB软件编制程序，将不同转角时流体表面的温度和换热系数信息映射到有限元网格上。

在排气歧管热应力计算中，设置边界的节点位置见图2，并约束图示节点的全部自由度。通过设置Predefined fields将排气歧管上的温度作为温度边界加入到应力分析中。

2 计算结果

2.1 内流场计算结果

对于排气管内流场，本文只关心2160°至2880°转角（计算中的第四个周期）的结果，并将计算结果中的温度和换热系数结果按单元输出，如（图3），编制MATLAB程序，将不同转角时流体表面的温度和换热系数信息映射到有限元网格上。

2.2 温度场计算结果

可以看出，排气管高温区域主要集中在出气口附近，两边温度较低。排气管内壁与外壁之间存在一定的温度梯度，见（图4、5）。

2.3 热应力计算结果

由于求解设置时法兰处加入的约束刚度较大，此处的应力是不准确的，为避免干扰，不考虑连接法兰处的应力，只显示管身的应力，见（图6、7）。

可以明显看出，对于排气管身，应力集中在出口附近，放大图见（图8）。

从图中可以清晰的看出，应力集中出现在底部，中间两个进气口分叉位置，与实际断裂位置吻合，见（图9）。比较两种设计可以发现，在加入筋板之后，可以在一定程度上减小底部高应力区的面积和大小，对改善排气管受力状况有一定助益。

3 结语

（1）在此案例中，计算结果与试验结果得到了很好的吻合，并通过加入筋板改善高应力区的应力大小和面积，故应采用加筋板的建议；

（2）利用流固耦合技术进行发动机排气歧管热应力计算分析是行之有效的方法，能够准确判断潜在危险区域，为排气歧管的结构设计及故障判断提供了可靠的理论依据。

参考文献：

[1]程丁丁，雷基林，毕玉华，李阳.2D25柴油机活塞温度场测试及有限元分析[J].拖拉机与农用运输车，2010，37（5）：60-65.

[2]田永祥，张锡朝，张济勇.柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元分析[J].内燃机工程，2004，25（1）：63-65.

[3]叶晓明，闵作兴，陈国华，等.柴油机活塞温度场试验研究及三维有限元分析几[J].华中科技大学学报，2002，30（3）：46-48.