某发动机alpha机排管断裂故障分析

某发动机alpha机排管断裂故障分析

1铁的耐久性试验随着发动机性能的提高，零件的热负荷和机械负荷也在增加。排气歧管是发动机的主要受热件,工作热负荷大,热应力高,工作环境极其恶劣。某直列四缸汽油发动机排气歧管的Alpha设计样件如图1所示。样件材料为FCD450球墨铸铁,其抗拉强度为450MPa,屈服强度为280MPa。对该样件的耐久性试验进行到35h时发生了断裂。断裂部位在排气总管靠近排气出口法兰与EGR通道之间的工具凹槽处。从结构上看,该位置处于过渡圆角根部附近,容易形成拉伸载荷引起的附加弯矩的应力集中区。对发生断裂的排气歧管进行了金相分析。由于工作过程中较大的热负荷和热冲击作用,排气歧管不断在做热处理,金属基中铁素体的比例由85%下降到10%,由此引起材料的延伸率从16%降低到8%。从直观上推断,过大的热负荷作用导致铸铁材料延伸率降低以及发动机的振动载荷是引起排气歧管断裂的根本原因。这只是根据表象进行推断,还需要对排气歧管进行CAE的具体分析。基于项目的时间节点,我们只能在有限的时间内对排气歧管进行1～3阶模态、静态载荷及热应力分析。2动力分析仿真CAD/CAE技术的应用,使产品设计开发从实物开发向虚拟开发转变。虚拟开发从根本上改变了传统设计思路,实现了在虚拟环境下设计、设计性能的评估和优化再修改的全套数字化仿真过程,减少不必要的样件制作,降低设计成本,缩短设计周期。在众多CAE软件中,MSC公司推出的NASTRAN在各种工程结构的动静力分析中应用非常广泛,其可靠性得到公认。本文将使用NASTRAN2005对排气歧管进行模态、静载荷以及热应力分析,以确认断裂的根本原因并对新改进设计方案进行可行性评估。2.1确认错误的根本原因2.1.1排气歧管刚度约束相对于整车振动而言,发动机的工作频率高,振动强度大,一旦发生共振,破坏能力大,我们在设计发动机零件时,尽量避开发动机的工作频率,以免发生共振。寻找断裂的根本原因,首先从共振频率开始。本文对排气歧管分别进行了25℃和700℃下的1～3阶模态分析。计算中,排气歧管法兰与发动机缸盖刚性约束。材料在25℃和700℃下的弹性模量分别取153GPa和123GPa。25℃和700℃的模拟结果类似,排气歧管的一阶共振频率为308Hz,大于发动机的最大工作频率(200Hz),其他二阶和三阶也远远大于该频率,而且共振的危险区域也不是实际排气歧管的断裂区域,可见由于共振产生的断裂基本排除。2.1.2材料在25和200下的屈服极限分别对排气歧管在X、Y、Z方向上施加1kN力,并进行静载荷分析。计算中,材料在25℃和700℃下的屈服极限分别取320MPa和90MPa。其结果如图2所示。结果显示,排气歧管在1kN静载荷下工具凹槽处、第四排气支管法兰连接处及其与排气总管的连接处均存在较大的应力集中,这正是排气歧管失效的位置。2.1.3排气歧管热应力试验假设排气歧管内表面在850℃保持60s之后自然冷却至25℃,25℃和850℃下对流换热系数分别取33W/(mm2·k)和330W/(mm2·k),相关材料性能数据参考NodularCastIronGM6129-M。由图3可以发现,不管是加热结束还是冷却结束,排气歧管的热应力危险区域都出现在实际断裂区域。发动机排气歧管在试验台架上所受到的载荷如图4所示。可以发现,排气歧管的进气侧与发动机固定,出口处与排气管连接,类似一个悬臂梁,所以在出口法兰处存在一个向下的重力。通过对排气歧管的模态、静载荷以及热应力分析,可以得出排气歧管断裂失效的根本原因是:排气歧管在高温热处理下,大部分铁素体变成了珠光体,导致整体变脆。同时,由于排气歧管结构上的不合理,在实际试验的受力和受热情况下,工具凹槽处存在明显的机械应力和热应力集中点。2.2平台结构的改进基于断裂原因的分析,在不更改零件材料的基础上(成本控制),本文提出了排气歧管的Beta设计方案:在排气歧管各支管过渡圆角根部、排气歧管颈部增加了若干加强筋以增加这些位置的结构强度,同时加强散热。此外,针对排气歧管工具凹槽处、隔热罩安装螺孔等处壁厚较小的情况,取消了工具凹槽,增加了隔热罩安装凸台的高度。在排气管隔热罩盖上增加了散热孔以降低热负荷。2.2.1排气支管和排气总管连接为了评估新的排气歧管设计方案的可行性,将它与原先的Alpha样件进行了对比。边界条件与2.1.1节相同。可以得出,共振的危险区域发生了转移,Alpha设计中,第四排气支管和排气总管连接处的过渡圆角根部存在危险区域,Beta设计中,该区域转移到了第四排气支管法兰与加强筋连接处。就出现的位置而言,Beta样件的应力集中区域较Alpha风险更低。对两种排气歧管模态分析的结果对比如表1所示。可以看到,在两种温度下,Beta设计方案的1～5阶约束频率较Alpha设计均有提高,其中1～3阶约束频率提高了32%～61%,而4、5阶约束频率也提高了13%以上。模态对比分析的结果表明,Beta样件的共振频率比Alpha样件更可靠,且危险区域也不在关键位置。2.2.2工具抗应力集中特点测试条件与2.1.2节相同,结果如图5所示。结果显示,Alpha排气歧管在1kN静载荷下工具凹槽处、第四排气支管法兰连接处及其与排气总管的连接处均存在较大的应力集中。而Beta排气歧管的应力集中主要出现在第四排气歧管和排气总管法兰连接处。但由于该处在实际试验或者使用过程中并不会受力,所以应力集中位置的转移基本上达到了我们的目标。2.2.3最高温度为分析假定条件与2.1.3节相同。可以得到两种排气歧管加热结束时的温度分布情况,Beta设计中增加的加强筋对于排气管颈部的散热有着明显的改善,Beta方案中最高温度较Alpha方案降低了约42℃。由热应力分析得到的最大等效塑性应变的结果给出了两种设计方案在加热结束和冷却结束时的高风险区域。Beta方案的危险区域位于在排气管出口法兰根部和第一排气支管法兰根部。图6为两种排气歧管的等效塑性应变时变曲线。可以看出,在热循环过程中,危险区域的塑性应变持续增加,且Beta设计的最大等效塑性应变为0.09,较Alpha设计的0.11下降了22%。3承担重点方面的分析基于上述分析结果,在该机型的开发过程中应用了Beta设计方案。对Beta设计样件装机进行了台架试验,三台试验样机均通过了514h耐久性试验,经拆检未发现断裂、开裂故障。4设计方案的对比本文针对发动机开发过程中发生断裂的排气歧管断裂进行了失效分析,针对失效原因提出了新的设计方案,并使用NASTRAN2005对两种设计方案进行了分析,分析结果表明:与Alpha方案相比,Be