基于Abaqus的某柴油机排气歧管热固耦合分析

摘要： 排气歧管在工作状态下会承受很高的环境温度，而在较高的环境温度下金属材料的力学性能和热学性能通常会发生较大变化.通过添加实测的各种部件材料随温度变化的性能参数，介绍某柴油机排气歧管热固耦合分析过程，展现使用AVL系列软件与Abaqus软件进行的排气歧管热固耦合分析流程.

关键词： 排气歧管； 热固耦合； 温度； 力学性能； 热学性能

中图分类号： U464.138；TB115.1文献标志码： B

引言

排气歧管是发动机主要受热零件之一，与高温燃气直接接触，承受较高温度，工作环境恶劣.如果排气歧管受热时引起的变形过大，会造成漏气，使内燃机无法正常工作.因此，很有必要对排气歧管热固耦合分析.

进行热固耦合分析，必须获得包括排气歧管内外流场的温度和对流换热系数边界等，再使用有限元软件进行热应力、密封性和残余应力应变分析等工作.

首先通过BOOST计算出排气歧管的进出口边界条件；然后将边界条件应用于CFD计算中，通过Fire计算排气歧管的内流场（瞬态）以及外流场（稳态），得到歧管内外壁面的温度以及对流换热系数分布，进行时域平均后，将结果映射到有限元模型的网格上；最后通过Abaqus对歧管总成进行热固耦合分析，评估设计方案.

排气歧管耦合分析考虑排气歧管螺栓预紧力和热应力，主要分析以下3项内容：（1）排气歧管温度场分布；（2）排气歧管垫片密封性分析；（3）热应力分析与残余应力应变分析.

主要分析流程见图1.

图 1分析流程

1热固耦合分析流程

1.1BOOST性能仿真

发动机BOOST计算模型见图2.

图 2BOOST计算模型

环境气体从边界SB1吸入，通过管1到空滤器CI1，然后通过管2进入涡轮增压器，再通过管3导向中冷器CO1，最后经连接管4进入进气歧管的谐振腔，用PL1代替.考虑到EGR的存在，容腔的一部分容积转化成连接管16和17.管子5～8代表进气歧管和气道，通过气道将气引到气缸C1～C4.管子9～12代表排气歧管和气道，通过气道将气引到容腔PL2，再通过管13连接到增压器TC1，经管14连接到消声器PL3，然后经管15，通过SB2流向大气.

随着发动机工况的改变，燃烧放热规律也随着变化，并且燃烧特性的好坏对发动机性能有很重要的影响.热力学循环计算需要输入燃烧热量释放率曲线.在数学上，该曲线可以通过VIBE函数模拟，VIBE函数的主要参数为燃烧区间和形状参数.燃烧热量释放率曲线影响缸内压力和温度，从而影响循环效率、爆发压力和排气温度等.计算获得相应位置的瞬态流量、压力和温度等，分别作为歧管的进出口边界条件.

1.2有限元模型创建

分析模型包括模拟缸盖、排气歧管螺栓和排气歧管.使用HyperMesh对模型进行网格划分.在传热分析中实体单元类型选择DC3D4，面单元选择DS3.强度分析时单元类型选择C3D10M.

需要注意有限元模型的坐标须与CFD分析完全一致.排气歧管耦合分析对网格没有特别要求，只要保证接触边界的节点一一对应即可.

温度场计算要对模型的相关部件施加CFD计算结果热边界，因此需要将排气歧管内腔和外壁面的面网格提取出来，并将这些面网格单独写成inp文件，以供CFD软件提取热边界.对于在前处理中提取的部件面网格单元，定义一个很小的厚度，一般定义0.001 mm即可.

1.3CFD分析

1.3.1内流场CFD分析

（1）网格划分.利用Fire软件自带的Fame工具划分网格，网格的尺寸为2 mm.为有利于计算收敛，进出口边界均沿法线方向延长20层（每层高度为2 mm）.最终的网格数目约为16.5万个，98%以上为六面体，其余为四面体和五面体等的混合网格.

（2）瞬态计算.瞬态计算共计算5个循环，前4个循环的目的是为计算收敛.取最后一个循环中气体的温度和换热系数平均值，作为热应力计算的边界，见图3和4.

图 3热应力计算温度边界

图 4热应力计算换热系数

1.3.2外流场CFD分析

（1）网格划分.外流场主要是稳态计算，模型包括排气歧管、隔热罩，增压器和弯管等.为模拟实验室的环境，外流场计算域取3倍发动机的尺寸，参考风扇的鼓风速度，设定外流场入口的风速为8 m/s.[1]外流场计算模型见图5.

图 5排气歧管外流场计算模型

使用Fame生成以六面体为主的计算网格.考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格.由于隔热罩厚度仅为3 mm左右，因此需要进行局部加密.网格总数约为112 万个.

（2）瞬态计算.采用迎风离散格式，1阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SIMPLE.设定管内空气流动为可压缩黏性湍流流动，空气为理想气体，湍流模型为kzf方程，使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度和压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值范围为11～200[2]，残差小于0.000 1.

外流场的计算为稳态计算，为保证计算收敛，一般计算3 000个迭代步.具体边界条件如下

（1）进口边界条件.设为速度边界，速度大小为8 m/s.

（2）出口边界条件.设为梯度为0.

排气歧管外壁面的换热系数和温度分别见图6和7，平均温度为476.6 K，平均换热系数为76.5 W/（m2·K）.

图 6排气歧管外壁面换热系数分布

图 7排气歧管外壁面气体温度分布

1.3.3CFD瞬态计算结果的时域平均

瞬态计算（时间步或曲轴转角）在每个时刻都会有一个计算结果，而有限元模型计算只需要一个稳态的热边界结果，因此瞬态计算的结果不能直接应用于有限元模型计算，必须首先对其进行时域平均[3].

平均换热系数（x）=1φ2-φ1 ∫φ2φ1h（x）dφ（1）平均有效温度G（x）=1（φ2-φ1）（x）∫φ2φ1h（x）TG（x）dφ（2）式中：φ为对应的瞬态时刻（时间步或曲轴转角）；h为对流换热系数；T为温度.

1.3.4CFD结果与Abaqus有限元模型映射

映射指在CFD计算与有限元计算之间，在流固交界面上进行热数据交换.它实现Fire与Abaqus之间的流固耦合分析.

热边界来源于CFD模拟结果，获取方法是将排气歧管网格模型的面网格导出inp格式（包含部件节点和单元信息即可）的文件提供给CFD分析人员，由CFD分析人员提取出部件面单元的换热系数和温度文件，文件后缀名为abaqinp.其中值得注意的是：（1）提取的换热系数和温度信息应附在单元上；（2）所有涉及到数值的信息要标明单位，以免产生数量级上的错误.

2类文件的示例分别见图8和9.

图 8面网格单元inp文件示例

图 9CFD提供的热边界文件示例

1.4温度场分析

1.4.1温度场分析有限元设定

排气歧管垫片单元类型采用DC3D15，实体单元类型采用DC3D4，面网格单元类型采用DS3.输入模型部件材料实测的随温度变化的弹性模量、柏松比和导热系数值.考虑到保密事宜，只展示排气歧管GGGSiMo51的随温度变化弹性模量曲线，见图10.

图 10排气歧管GGGSiMo51的弹性模量温度曲线

由于加载热边界时需要使用include语句，因此在进行模型搭建时一般进行手工编辑，而不是在Abaqus/CAE中进行.首先在HyperMesh中对各接触对进行绑定的定义，定义完绑定后导出inp格式，查看单元类型是否设定正确，在inp文件结尾添加分析步，见图11.

图 11分析步定义

模型搭建完成后提交计算，利用批处理方式提交，使用内部命令abaqus job=filename.inp.

1.4.2温度场分析结果后处理

计算完成后，在Abaqus CAE Visualization模块中选择NT11查看温度场分布，评价最高温度是否超过材料的温度极限值，并保留结果文件以供热应力计算.排气歧管外壁面的温度分布见图12，可知外壁面最高温度543.2 ℃.排气歧管内壁面的温度分布见图13，可知外壁面最高温度546.6 ℃.为提高计算精度，可以进行多轮反复迭代，从Abaqus的计算结果文件中提取出内外壁面的温度结果rpt文件，提交给CFD分析工程师，进行多轮重复迭代：在Abaqus后处理Visualization模块中点击Create Display Group，分别选出并显示排气歧管内外壁网格；再点击Report Filed Output，在Variable中选择结果类型；在Setup中定义文件名称和存储地址，确认后即可生成温度结果rpt文件，见图14.

图 12排气歧管外壁面温度分布

图 13排气歧管内壁面温度分布

图 14排气歧管内壁面温度分布

蠕墨铸铁TL047SiMo4.5排气歧管材料的最高温度限值为800 ℃，排气歧管的外壁最高分析温度远小于此材料许用温度限值，满足设计要求.

1.5热应力分析

1.5.1热应力分析有限元设定

排气歧管垫片单元类型采用C3D12MN，实体单元类型选择C3D10M，在热应力分析中不需要壳体，删除面单元.

热应力计算需要输入材料随温度变化的弹性模量、泊松比、线膨胀系数、密度、比热容和塑性材料的应力应变曲线等.

同时添加排气歧管垫片的压缩卸载曲线，见图15；对缸盖（或模拟缸盖）的一端施加固定约束，即约束1，2和3自由度；施加排气歧管螺栓的预紧力和热载.进行3个分析步热应力分析设定：（1）施加螺栓预紧力；（2）Fix boltlength，加载温度场；（3）卸载.

图 15垫片属性加载示例

1.5.2热应力分析结果后处理

计算完成后，在Abaqus后处理Visualization模块中进行操作.排气歧管热应力分布见图16，可知，排气歧管的热应力集中区域在EGR连接管道过渡区域，最大热应力范围为129.4～200 MPa，其他区域都低于150 MPa，都远低于材料的屈服极限（≥400 MPa），满足静强度设计要求.

图 16排气歧管热应力分布

1.5.3密封性后处理

垫片上的面压应大于15 MPa，见图17，满足设计要求，同时可以提取螺栓的振荡响应应力曲线.

图 17垫片面压分布

1.5.4残余热应力和残余应变结果后处理

排气歧管残余热应力结果见图18，可知，排气歧管在卸载工况下残余热应力较小，在61.18 MPa以下（螺栓预紧力加载区域不考察），静强度和疲劳都满足设计要求.

图 18排气歧管残余热应力分布

排气歧管残余应变结果见图19，可知排气歧管在卸载工况下最大残余应变为1.775%.根据AVL标准[4]，该材料的累积塑性应变最大限值为2%，可以判断最大残余应变满足设计要求.

图 19排气歧管残余应变分布

2结束语

排气歧管热应力和密封性等都满足设计要求，建议采用原设计方案并进行排气歧管支架有限元分析，重点考虑排气歧管搭载各附件下的子系统在外界加速度激励的应力状况和疲劳安全因数.

通过使用AVL.BOOST，Fire和Abaqus软件，江淮汽车动力总成研究院CAE部已具有较强的热固耦合分析能力，能评估排气歧管的温度场、热应力、密封性、螺栓响应力、排气歧管的残余热应力和残余应变等.

为提升热固耦合分析的置信度，江淮汽车公司通过近2a的时间，完成发动机总成近30种受温度影响部件材料的随温度变化性能的测试，包括随温度变化的应力应变曲线和弹性模量等力学性能测试，以及包括随温度变化的热膨胀系数、比热容、导热系数和密度等热物性能.参考文献：

[1]李龙超， 许涛. 某柴油机排气歧管的热固耦合分析[J]. 汽车工程师， 2011（3）： 5557.

[2]杨万里， 许敏， 刘国庆， 等. 发动机排气歧管热负荷数值模拟[J]. 华中科技大学学报： 自然科学版， 2006， 34（12）： 98100.

[3]郭立新， 韩颖， 惠涵， 等. CFDFE耦合计算分析某汽油机排气歧管热负荷[J]. 现代车用动力， 2009（2）： 1014.

[4]杨振宽. 机械产品设计常用标准手册[M]. 北京： 中国标准出版社， 2010. （编辑于杰）第22卷 增刊22013年10月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013