1 概述
隨著世界各國環(huán)保機構(gòu)制定日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟性指標(biāo)，促使內(nèi)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(fā)展方向。然而，為了實現(xiàn)更佳的SCR(選擇性催化還原)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，這就要求盡可能提高排氣溫度，從而導(dǎo)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(fù)荷沖擊，因為其直接與高溫排氣相接觸，僅只能通過熱傳導(dǎo)至缸蓋，熱輻射和自然或強制對流到周圍環(huán)境中進行冷卻，這可能造成局部出現(xiàn)較大的瞬態(tài)溫度梯度。更高的功率密度意味著排氣系統(tǒng)中排氣溫度進一步升高。由于熱機械疲勞所導(dǎo)致的排氣歧管開裂已經(jīng)演變成為影響內(nèi)燃機安全性和可靠性的關(guān)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(guī)和客戶對燃油經(jīng)濟性的要求。
許多研究學(xué)者認(rèn)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(yīng)當(dāng)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(yīng)變極限作為針對疲勞破壞重要的影響因子。排氣歧管設(shè)計主要方向就是盡可能使熱應(yīng)力和熱變形最小化。排氣歧管內(nèi)壁面直接與高溫燃?xì)庀嘟佑|，因此必須承受因發(fā)動機熱機和冷卻過程所引起的循環(huán)熱載荷。排氣歧管關(guān)鍵位置上的交變熱應(yīng)力將形成累計塑性應(yīng)變，最終影響歧管壽命。Carlo R.等闡述了鑄鐵排氣歧管熱結(jié)構(gòu)特性，評估了應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果并以試驗數(shù)據(jù)加以驗證。Watanabe Y.等發(fā)現(xiàn)許多熱疲勞失效應(yīng)歸因于高溫時的壓縮應(yīng)變。因此，塑性應(yīng)變范圍可作為裂紋萌生評判標(biāo)準(zhǔn)。Choi,B.L.等認(rèn)為在經(jīng)歷重復(fù)循環(huán)熱沖擊后，最大應(yīng)變范圍(0.454%)可以通過穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變滯回線評估。Simone,S.等提出高低溫循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變滯后直接與低周熱疲勞有關(guān)。然而也有部分研究學(xué)者也堅持認(rèn)為蠕變對總損傷很關(guān)鍵。Hazime,R.M.等利用瞬態(tài)非線性有限元分析方法得到了鑄鐵或鋼質(zhì)排氣歧管的非彈性變形，同時得出的結(jié)論是蠕變導(dǎo)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(yīng)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(tài)載荷。HCF問題主要與支撐或支架設(shè)計相關(guān)，一般不涉及到排氣歧管。對于整個排氣系統(tǒng)首先執(zhí)行頻率分析，即模態(tài)分析，然后確保在主發(fā)動機階次頻率范圍內(nèi)不發(fā)生共振。
本文針對國VI增壓柴油機排氣歧管執(zhí)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(fā)現(xiàn)在三個熱沖擊循環(huán)內(nèi)所產(chǎn)生的總的累積塑性應(yīng)變和第三個循環(huán)的等效塑性應(yīng)變能有效地預(yù)測排氣歧管設(shè)計是否開裂。為了結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證，對新設(shè)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(tài)CFD模擬
2.1 邊界條件定義
排氣歧管計算流體域應(yīng)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(wǎng)格后總的單元數(shù)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(xué)模型，相比3D CFD分析可節(jié)省大量計算時間，同時可為排氣管瞬態(tài)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(fā)生對流傳熱。入口和出口邊界條件來自于整機1D熱力學(xué)模擬結(jié)果，并根據(jù)臺架試驗數(shù)據(jù)對整機模型進行標(biāo)定。為入口位置指定質(zhì)量流量和溫度作為邊界，比如inlet_01對應(yīng)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(zhì)量流量和溫度隨曲軸轉(zhuǎn)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(zhì)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(shù)和溫度必須通過插值后映射到FEA網(wǎng)格單元。一旦第一輪迭代計算完成，又將實體壁面溫度場導(dǎo)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(fù)往復(fù)。每一輪迭代計算后，需要檢查結(jié)果是否充分收斂。當(dāng)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(nèi)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(yīng)用于汽油機或柴油機。排氣歧管應(yīng)當(dāng)有足夠的剛度以滿足在發(fā)動機開發(fā)過程中所需的主要設(shè)計目標(biāo)，比如動力性能，燃油經(jīng)濟性和排放。為了實現(xiàn)催化劑快速和高效啟動反應(yīng)，廢氣溫度應(yīng)該進一步提升以確保催化劑更高的轉(zhuǎn)化效率，而排氣歧管也將承受更高的熱負(fù)荷。
在設(shè)計初始階段，確定哪種材料可用于排氣歧管是至關(guān)重要的。平均廢氣溫度通常是材料選擇的一個重要參數(shù)，可將它作為材料最高溫度極限的設(shè)計參照。依照目前的設(shè)計目標(biāo)，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(huán)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)
GGG 55 SiMo其應(yīng)力-應(yīng)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(jié)果如圖8所示。
圖8 GGG 55 SiMo應(yīng)力-應(yīng)變曲線
排氣系統(tǒng)中其它部件包括缸蓋，增壓器渦殼和雙頭螺栓。其材料有關(guān)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(yīng)的供應(yīng)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(guān)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(wǎng)格數(shù)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(jié)構(gòu)分析最為重要的邊界條件。3D CFD計算結(jié)果傳遞局部換熱系數(shù)和近壁面氣體溫度，然后在一個工作循環(huán)周期內(nèi)進行平均處理，即得到時間平均的換熱系數(shù)和近壁面氣體溫度。除了排氣歧管內(nèi)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(guān)重要。時間平均的換熱系數(shù)和近壁面氣體溫度一般會隨發(fā)動機實際工況而產(chǎn)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(shù)和近壁面氣體溫度如圖11和12所示。
圖11 平均換熱系數(shù)和溫度-額定功率
圖12 平均換熱系數(shù)和溫度-低怠速
缸蓋內(nèi)部冷卻液流動和傳熱基于穩(wěn)態(tài)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(shù)據(jù)。入口邊界指定為速度類型，而出口則為靜壓值。執(zhí)行穩(wěn)態(tài)CFD模擬分析以獲得冷卻水套壁面的換熱系數(shù)和近壁面流體溫度，然后將其映射到缸蓋內(nèi)部冷卻液流經(jīng)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(jié)果
穩(wěn)態(tài)傳熱分析其余邊界條件的定義均匯結(jié)在表2中，主要包含了機油接觸區(qū)域的換熱系數(shù)和溫度，缸蓋火力岸換熱系數(shù)和溫度以及排氣歧管對周圍環(huán)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(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)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(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，最高溫度低于材料發(fā)生微觀機構(gòu)變形所允許的最高溫度，即排氣歧管不會發(fā)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(jié)構(gòu)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）
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本文標(biāo)題：基于流固耦合方法排氣歧管熱機械疲勞分析（上）
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