增壓直噴汽油機因其功率較大，排氣溫度較高，排氣歧管熱負荷大，容易在一些幾何過渡不圓滑的地方出現(xiàn)熱應力集中。本文在發(fā)動機中速負荷下，以BOOST和FIRE一維三維耦合分析計算排氣歧管內(nèi)外流場溫度及換熱系數(shù)分布，將流場壁面溫度、換熱系數(shù)映射到排氣歧管實體網(wǎng)格上作為邊界條件，利用Abaqus計算排氣歧管的溫度場分布和熱應力分布。以排氣歧管材料屈服極限為標準，判斷排氣歧管是否會發(fā)生熱疲勞裂紋；以計算結(jié)果為參照，對排氣歧管高應力區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除熱應力集中。

圖1 排氣歧管內(nèi)外流場計算模型

原始設計方案

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

排氣歧管采用二階四面體網(wǎng)格（C3D10）劃分，整個有限元模型包括102265個實體網(wǎng)格，如圖2所示。用于映射流體分析邊界溫度和換熱系數(shù)的內(nèi)流場網(wǎng)格（DS6）15604個，外流場網(wǎng)格（DS6）25548個。排氣歧管內(nèi)流場采用一維三維耦合的計算方法，圖3、4顯示了映射的邊界溫度場及換熱系數(shù)。排氣歧管所用材料為鑄鐵NiSiCr3552，其物理特性和力學性能與溫度的關系如圖5所示。

圖 2 有限元計算模型

圖 3 內(nèi)流場溫度云圖（K）

圖 4 內(nèi)流場換熱系數(shù)云圖（W/m2.K）

圖 5 鑄鐵 NiSiCr3552 物理特性和力學性能與溫度關系

原始方案計算結(jié)果

排氣歧管溫度場、熱應力計算結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 排氣歧管原始方案溫度場及熱應力分布

由圖 6 可知，在排氣歧管 1、4 支管與 2、3 支管匯合隔板與管壁倒角處存在熱應力集中，最高應力 372MPa已經(jīng)超過材料屈服極限。

改進方案

針對排氣歧管原設計方案 1、4 支管與 2、3 支管匯合處隔板與管壁間的幾何進行修改，使其過渡盡可能圓滑，以降低該區(qū)域應力水平。為此，總共進行了 8 次修改，最終將熱應力降至材料屈服極限以下。圖 7 至圖 14 給出了各修改方案熱應力分布云圖，表 1 列出了各修改方案的最大熱應力值。

圖 7 第 1 修改方案熱應力分布

圖 8 第 2 修改方案熱應力分布

圖 9 第 3 修改方案熱應力分布

圖 10 第 4 修改方案熱應力分布

圖 11 第 5 修改方案熱應力分布

圖 12 第 6 修改方案熱應力分布

圖 13 第 7 修改方案熱應力分布

圖 14 第 8 修改方案熱應力分布

表 1. 排氣歧管各設計方案最高熱應力.

結(jié)論

排氣歧管因幾何結(jié)構(gòu)不當，存在熱應力集中和熱疲勞裂紋的危險。通過一維三維流體耦合分析計算排氣歧管內(nèi)外流場溫度、換熱系數(shù)，利用 Abaqus 計算排氣歧管溫度場分布和熱應力分布。原始設計方案最高熱應力 372MPa，超過材料屈服極限，最高應力發(fā)生在 1、4 支管與 2、3 支管匯合處隔板與管壁過渡圓角。對排氣歧管原始設計方案進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終將熱應力降低至排氣歧管材料屈服極限以下，通過試驗驗證優(yōu)化后排氣歧管沒有出現(xiàn)熱疲勞裂紋問題。

資料來源：達索官方