孙晶晶，马庆镇，李连升，王宝军

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061;2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

发动机工作过程中产生的高温废气通过排气管排出，排气管是整个排气系统中工作环境最恶劣的部件之一，长期承受高温、振动以及冷热冲击载荷，极易发生裂纹和漏气故障[1]。热疲劳是排气管失效的主要原因，因此对排气管进行低周热疲劳分析具有重要意义。

图1 排气管裂纹故障位置

某6缸直列发动机在试验过程中第4～6缸排气管出现裂纹，裂纹位于第6缸排气歧管加强筋附近，如图1所示。本文中采用流固耦合方法，利用有限元分析软件建立排气管气侧流体模型和有限元模型进行排气管温度场和应力场计算，并利用软件中的低周疲劳模块对排气管进行低周热疲劳计算，分析裂纹产生的原因，提出改进方案，对改进方案进行仿真分析及试验验证[2]。

1 基本理论

1.1 流固耦合原理

由能量守恒原理可知，在流固耦合界面处，流体传出的热量等于固体吸收的热量，可以采用连接实体的Fourier热传导方程和流体的对流换热控制方程来描述[3]:

(1)

式中：Kcond为固体的导热系数，∂T/∂n为法向温度梯度，qconv为单位面积的热流量，hconv为局部对流换热系数，Tf为流体温度，Tw为壁面温度。

固体侧，内燃机固体结构传热为稳态导热，其控制方程为：

(2)

式中kx、ky、kz为沿x、y、z方向的热传导系数。

流体侧，采用k-ε湍流模型计算流体与壁面的对流换热边界条件，方程为：

(3)

(4)

式中：ρ为流体密度，t为时……