基于流固耦合的柴油机排气管热应力计算

基于流固耦合的柴油机排气管热应力计算

1排气歧管热应力的计算随着引擎性能的提高，零件的热负荷也有所增加。排气歧管是发动机的主要受热件,工作热负荷大,热应力高,工作环境及其恶劣。某新开发的发动机在进行800h循环负荷试验时发生了排气歧管开裂的故障。为了解裂纹产生的原因,排除故障并提出改进建议,必须计算排气歧管的温度场和热应力。在国内,对活塞温度场和热应力进行了较多的研究,使用的方法是:首先实测几个关键点的温度,然后反复调整热边界条件,使几个关键点的计算值和实测值符合。这种方法计算量很大,文献中经过了一百多次的试算,才使几个关键点的计算值和实测值接近,而且该法在产品设计阶段不能计算零件的热应力。本文采用流固耦合方法来计算排气歧管的温度场及热应力。首先用FIRE软件计算排气歧管瞬态内流场(曲轴转角为0～1440°CA),得到排气歧管内壁面的瞬态对流换热系数和环境温度,再用时间平均的方法计算出内壁面稳态对流换热系数和环境温度;然后再模拟发动机台架试验的稳态外流场,得到排气歧管外壁面的对流换热系数和环境温度。在得到排气歧管内外壁面的环境温度和对流换热系数后,采用ABAQUS软件计算排气歧管的温度场和热应力。计算结果表明,采用流固耦合的方法可以快速有效地预测排气歧管的温度场和热应力,计算所得的排气歧管热应力最大的地方,即为发生裂纹的地方。最后根据计算结果提出了改进建议。2计算模型2.1边界条件的确定排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,壁面律按标准壁面函数。计算的曲轴转角范围为0～1440°CA,进出口边界条件由发动机一维热力学软件BOOST计算结果给定,计算转速为6000r/min,进口给流量和温度,出口给静压和温度,其余为壁面边界条件。图1为排气歧管内流场的计算网格,单元为六面体,单元数为63060。2.2排气歧管、区域开放系统的网格设计排气歧管外流场控制方程也采用不可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,壁面律按标准壁面函数。计算模型由排气歧管、隔热罩、三元催化器组成。网格为混合网格,网格数大约有110万。图2显示了排气歧管外流场计算的边界条件:入口为风机风道的出口,给定入口流量和温度;壁面A给定壁面边界条件和温度;模型的四周为对称边界条件;出口处的壁面B给定壁面边界条件和温度;出口给定静压和温度;排气歧管、隔热罩、三元催化器均给定壁面边界条件和温度。2.3污水管道三维模型2.3.1热边界条件排气歧管温度场计算的控制方程∂∂x(k∂t∂x)+∂∂y(k∂t∂y)+∂∂z(k∂t∂z)=−q(1)∂∂x(k∂t∂x)+∂∂y(k∂t∂y)+∂∂z(k∂t∂z)=-q(1)热边界条件为第一类边界条件t=g(x,y)和第三类边界条件−k∂t∂n=h(t−tf)-k∂t∂n=h(t-tf),如图3所示,和缸盖接触的壁面C给第一类边界条件,其余面给第三类边界条件。图4为排气歧管内壁面的对流换热系数和温度,图5为排气歧管外壁面的对流换热系数和温度,均由流场计算结果插值得到。排气歧管有限元模型(图3)所用单元是四节点四面体单元,由于计算了多个方案,每个方案的单元数和节点数不完全相同,大约为20万个单元和5.5万个节点。2.3.2构造总体刚度矩阵在计算出排气歧管温度场后,以温度场为单元载荷计算热应力。其基本方程为{δ}=[K]{Rt}(2)[σ]=[D]{[B]{δ}-{ε0}}(3)式中,[K]为总体刚度矩阵;[D]为弹性矩阵;[B]为应变矩阵;{Rt}为总体载荷矩阵;[σ]为节点应力矩阵。3计算结果和分析3.1式中排气歧视cfd计算3.1.1计算边界条件如前所述,排气歧管内流场共计算了1440°CA,然后在720°CA范围内进行时间平均得到平均对流换热系数和温度,再将其映射到相应的有限元网格上,得到排气歧管温度场计算的边界条件。图6为720°CA内流场的对流换热系数和温度。3.1.2排水污水处理厂的计算图7为一种方案排气歧管外壁面的对流换热系数和温度,将其映射到对应的有限元网格上得到如图5所示的对流换热系数和温度。3.2结果表明，阴影管道温度场和热应力的计算和分析3.2.1计算实例计算本文计算了多种方案的温度场和热应力,图8为原方案的温度场计算结果。从温度场的云图来看,由于排气歧管基本是对称的,其温度分布也基本对称,而且各种方案的温度分布大致是一样的,最高温度728°C在排气歧管的出口处。3.2.2y向拉伸应力下表为裂纹发生处的应力值(具体位置见图9所示A处)。从表可看出:原方案和方案B的应力值相当,方案A的VonMises应力和Y向应力比原方案小约190MPa,因此凸台是引起裂纹处应力大的主要原因,而且是有Y向拉伸应力引起。图9、10分别为原方案和方案C的VonMises应力云图,图10、12为Y向拉伸应力云图。由于排气歧管的材料在不同温度下的拉伸强度变化很大,又没有各温度下的材料拉伸强度,因此不能直接用拉伸应力和拉伸强度进行比较,只能用相对比较的方法来判定改进方案是否可靠。由于排气歧管在做热冲击试验时其它部位未发生裂纹,因此可以将改进方案的应力值和原方案的应力值比较,如果应力值小可以判定改进方案是可靠的。当然这仅仅是从静强度的角度来判定,下一步应该进行热疲劳的分析。方案C在裂纹处的VonMises应力和Y向应力比原方案小190MPa,因此可认为方案C是可靠的。4方案b:复合滤材回湿法(1)发动机排气歧管裂纹是由固定隔热罩的凸台引起的,而且主要是由Y向拉伸应力所致。(2)将固定隔热罩的凸台移至方案C所示位置,可降低裂纹处的应力