基于流固耦合方法排氣歧管熱機(jī)械疲勞分析（上）
4 排氣歧管熱機(jī)械耦合分析
4.1 約束和外部載荷定義
施加在排氣歧管上的主要載荷有熱載荷，即溫度場，螺栓預(yù)緊力和外部激勵(lì)。在FEA分析中螺栓預(yù)緊力通常在第一個(gè)載荷步進(jìn)行加載，以連接排氣歧管和缸蓋，以及排氣歧管和增壓器渦輪機(jī)，同時(shí)打緊力矩不超過螺栓材料的屈服極限。為了評(píng)估螺栓預(yù)緊力衰減情況考慮了螺栓最大和最小預(yù)緊力的影響。在表3中總結(jié)了對(duì)各零部件裝配所需的螺栓預(yù)緊力。為了驗(yàn)證密封接觸是否存在失效的可能，必須采用最小螺栓預(yù)緊力作為關(guān)鍵載荷步。
表3 螺栓預(yù)緊力范圍
最大排氣壓力約為3.5bar將施加在排氣歧管內(nèi)壁面。此外，在非線性靜結(jié)構(gòu)模型中增壓器和缸蓋部分需要對(duì)X，Y和Z方向的位移進(jìn)行約束以避免整個(gè)模型出現(xiàn)剛體運(yùn)動(dòng)。在排氣歧管裝配體中，各個(gè)零部件需要定義接觸對(duì)關(guān)系進(jìn)行組合，表4中給出不同零部件間接觸對(duì)類型以及滑移系數(shù)。
表4 零部件接觸對(duì)類型定義
4.2 載荷步定義
非線性應(yīng)力-應(yīng)變分析中主要載荷類型有裝配載荷，熱載荷和廢氣壓力。初始載荷步為螺栓預(yù)緊力以固定排氣歧管和增壓器等。隨后加載不同工況下的溫度場和排氣壓力。為了考慮穩(wěn)定的粘彈性效應(yīng)，熱機(jī)械分析將重復(fù)執(zhí)行三次。每個(gè)載荷步的詳盡描述如表5所示。
表5 載荷步定義
4.3 應(yīng)力-應(yīng)變和熱疲勞分析
在額定功率點(diǎn)和低怠速工況下，不同載荷組合下的排氣歧管應(yīng)力分布云圖見圖14。排氣歧管沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大應(yīng)力位置位于螺栓凸臺(tái)和螺栓孔邊緣，這是由于螺栓和螺母直接接觸導(dǎo)致的，這些應(yīng)力值不是主要考察對(duì)象。排氣歧管內(nèi)表面應(yīng)力幅值較小且低于材料疲勞極限，因此排氣歧管直接失效的可能性較小。排氣歧管最可能的失效方式可歸咎為在熱沖擊試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的熱疲勞。
圖14 排氣歧管裝配體溫度場分布
對(duì)于密封墊片主要需要關(guān)注其密封性能，這取決于墊片與法蘭之間的接觸壓力。從圖15可以觀察到在不同載荷工況下墊片接觸壓力值均高于極限值15MPa的要求。氣體泄漏問題可能不會(huì)出現(xiàn)，但仍需要有關(guān)供應(yīng)商進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。等效塑性應(yīng)變范圍和總的累積塑性應(yīng)變通常被認(rèn)為是在熱機(jī)械疲勞分析中的失效標(biāo)準(zhǔn)。基于等效塑性的TMF分析結(jié)果顯示在圖16中。根據(jù)相關(guān)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)新設(shè)計(jì)的排氣歧管失效可能性較小，但仍需要在試驗(yàn)臺(tái)架上執(zhí)行驗(yàn)證。
圖15 密封墊片壓力分布情況
圖16 第三個(gè)循環(huán)之后的等效塑性應(yīng)變
當(dāng)針對(duì)新設(shè)計(jì)排氣歧管模擬分析完成后，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案鑄造了排氣歧管樣件。排氣歧管樣件安裝到滿足國V排放的增壓柴油機(jī)上，然后執(zhí)行熱沖擊試驗(yàn)以驗(yàn)證其可靠性。從圖17中可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)排氣歧管在500小時(shí)熱沖擊過程中沒有發(fā)生熱機(jī)械疲勞失效。
圖17 排氣歧管熱沖擊試驗(yàn)前后對(duì)比
5 結(jié)論
(1)基于1D熱力學(xué)模擬，3D CFD和FEM計(jì)算的分析流程可對(duì)排氣歧管應(yīng)力分布進(jìn)行較為精確的預(yù)測。
(2)在制作樣件之前，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以很便利地去調(diào)整排氣歧管關(guān)鍵位置的幾何結(jié)構(gòu)，而不需要更長的驗(yàn)證周期并縮減時(shí)間和成本。
(3)對(duì)于TMF分析，三個(gè)循環(huán)周期內(nèi)總的累積塑性應(yīng)變和第三個(gè)周期內(nèi)的等效塑性應(yīng)變范圍被視為衡量排氣歧管開裂的有效標(biāo)準(zhǔn)。
(4)排氣歧管樣件在經(jīng)歷500小時(shí)的熱沖擊試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)熱機(jī)械疲勞失效。
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