基于Fluent与ABAQUS的排气歧管温度场及热应力分析

2020-11-09霍小臭潘效龙

汽车零部件 2020年10期

霍小臭，潘效龙

(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000)

0 引言

排气歧管直接与气缸体相连，是发动机排出的高温废气最先通过的部件。由于高温和温度分布而产生的热应力可能会造成排气歧管出现裂纹，从而导致漏气，使发动机出现故障，影响发动机的排放性能。对于涡轮增压机型，还会导致发动机的动力性能降低[1-2]。采用流固耦合的方法，可以较为准确地预测零部件由于流动换热和导热产生的温度分布，从而计算零部件内部存在的热应力。在发动机排气歧管的设计开发中，对排气歧管的流场和热应力进行分析，可以预测排气歧管在工作过程中可能出现的问题，并为后续的设计和改良提供参考[3]。

本文作者采用CFD分析软件Fluent计算了排气歧管的内流场、温度分布和对流换热系数，通过映射数据将计算结果导入Abaqus进行温度场及热应力计算，为后续排气歧管的设计开发提供参考。

1 排气歧管内流场计算

1.1 分析模型及网格

模型采用某四缸十六气门增压中冷柴油发动机，利用Hypermesh导入模型，提取排气歧管内流道，进行网格划分，排气歧管内流场计算网格如图1所示，网格总数为27.9万，网格尺寸为3 mm，内流道近壁面处设置3层边界层，边界层网格尺寸为0.8 mm。

图1 排气歧管内流道网格模型

排气歧管气体流动换热计算采用的边界条件来源于一维热力学计算，在转速为3 200 r/min的超负荷工况下排气歧管出口气体温度的质量加权平均值为962 K，一个工作循环中，曲轴转角对应的排气歧管入口、出口和EGR取气口的温度和质量流量变化曲线如图2所示。

图2 流场计算边界条件

1.2 计算结果

内流场计算采用瞬态计算，在Fluent软件中，将图2中的边界条件以Profile文件的形式导入，从而实现各进出口边界的温度、流量随时间变化。共计算6个工作循环，即曲轴转角从0°～4 320°，前5个循环用于使计算收敛，从最后一个循环取时均值，得到的流场用于后续步骤的计算。湍流模型采用标准k-ε方程，壁面区域采用标准壁面函数，时间项采用一阶隐式格式离散，压力与速度耦合使用SIMPLE算法。最终获得的排气歧管内流道的温度及换热系数如图3所示，最高温度出现在出口和EGR取气口处，即各进气口的交汇处。将结果以ASCII格式导出，经过单位变换后，用于接下来的Abaqus分析。

图3 排气歧管内流场计算结果

2 排气歧管温度场及热应力计算

2.1 排气歧管温度场计算

温度场计算的分析模型包括排气歧管和部分气缸盖、EGR取气口、涡轮，排气歧管内壁网格与内流场计算的壁面网格完全一致，其余网格尺寸为5～7 mm，排气歧管的单元类型为C3D10，螺栓及垫片的单元类型为C3D6，其余为C3D4，网格总数约51万个，网格模型如图4所示。

图4 热应力计算模型及网格

将Fluent计算中得到的排气歧管内流场通过ASCII格式的映射数据导入Abaqus，排气歧管、涡轮、EGR取气口外壁采用对流换热条件，环境温度为348 K，对流换热系数为5 W/(m2·K)，排气歧管材料采用ZG230-450，加载螺栓预紧力为30 N·m，螺栓螺纹与气缸盖螺孔螺纹创建绑定，其余接触面均为摩擦接触。计算得到的排气歧管温度如图5所示，由图可知，最高温出现在出口处附近，约为790 ℃，低于铸钢可承受温度850～900 ℃[4]。保存计算结果，供最终的热应力计算使用。

图5 排气歧管温度分布

2.2 排气歧管热应力计算

排气歧管内流道结构复杂，不同部分受热程度不同，存在较为明显的温度分布，内流道壁面直接与高温废气接触，温度较高；而外表面与空气接触，温度相对较低；由于外在约束和各部分间的相互约束，无法自由膨胀，从而产生热应力[5]。文中计算了只有温度场作用时排气歧管的热应力。将温度场计算的结果作为边界条件，计算排气歧管在温度场作用下的热应力，结果如图6所示。