范習(xí)民，崔寧，王強(qiáng)，孫影，許濤，胡昌良，李波

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230601）

0 引 言

排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要受熱零件，與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，承受較高的溫度，工作環(huán)境惡劣。如果排氣歧管受熱時(shí)引起的變形過(guò)大，會(huì)造成漏氣，使內(nèi)燃機(jī)無(wú)法正常工作。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱固耦合分析很有必要。

進(jìn)行熱固耦合分析，必須要獲得包括排氣歧管內(nèi)外流場(chǎng)的溫度與對(duì)流換熱系數(shù)邊界，再使用FEA 軟件進(jìn)行熱應(yīng)力、密封性和殘余應(yīng)力應(yīng)變分析等。

首先通過(guò)BOOST 計(jì)算出排氣歧管的進(jìn)出口邊界條件；然后將邊界條件應(yīng)用于CFD 計(jì)算中，通過(guò)FIRE 計(jì)算排氣歧管的內(nèi)流場(chǎng)（瞬態(tài)）以及外流場(chǎng)（穩(wěn)態(tài)），得到歧管內(nèi)外壁面的溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)分布，進(jìn)行時(shí)域平均后，將結(jié)果映射到FEM 的網(wǎng)格上；最后通過(guò)Abaqus 對(duì)歧管總成進(jìn)行了熱固耦合分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。

排氣歧管耦合分析考慮了排氣歧管螺栓預(yù)緊力與熱應(yīng)力，主要分析以下幾項(xiàng)內(nèi)容：1）排氣歧管溫度場(chǎng)分布；2）排氣歧管墊片密封性分析；3）熱應(yīng)力分析與殘余應(yīng)力應(yīng)變分析。

其主要分析流程見(jiàn)圖1。

1 熱固耦合分析流程

1.1 Boost 性能仿真

圖2 是發(fā)動(dòng)機(jī)的BOOST 的計(jì)算模型。環(huán)境氣體從邊界SB1 吸入，通過(guò)管1 到空濾器CI1，再通過(guò)管2 進(jìn)入渦輪增壓器，出來(lái)再通過(guò)管3 導(dǎo)向中冷器CO1，再經(jīng)連接管4 進(jìn)入進(jìn)氣歧管的諧振腔，用PL1 代替，考慮到EGR 的存在，容腔的一部分容積轉(zhuǎn)化成連接管16，17。管子5～8代表進(jìn)氣歧管和氣道，通過(guò)氣道將氣引到氣缸C1～C4。管子9～12 代表排氣歧管和氣道，通過(guò)氣道將氣引到容腔PL2，再通過(guò)管13 連接到增壓器TC1，經(jīng)管14 連接到消聲器PL3，然后經(jīng)管15，通過(guò)SB2 流向大氣。

圖1 分析流程圖

圖2 Boost 計(jì)算模型圖

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變，燃燒放熱規(guī)律也是隨著變化的，并且燃燒特性的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很重要的影響。熱力學(xué)循環(huán)計(jì)算需要輸入燃燒熱量釋放率曲線，在數(shù)學(xué)上，該曲線可以通過(guò)VIBE 函數(shù)來(lái)模擬，VIBE 函數(shù)的主要參數(shù)為燃燒區(qū)間和形狀參數(shù)。燃燒熱量釋放率曲線影響缸內(nèi)壓力和溫度，從而就影響了循環(huán)效率、爆發(fā)壓力和排氣溫度。計(jì)算獲得相應(yīng)位置的瞬態(tài)流量、壓力和溫度分別作為歧管的進(jìn)出口邊界條件。

1.2 FEA 模型創(chuàng)建

分析模型包括模擬缸蓋、排氣歧管螺栓和排氣歧管。使用Hypermesh 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在傳熱分析中實(shí)體單元類型選擇DC3D4，面單元選擇DS3。強(qiáng)度分析時(shí)單元類型選擇C3D10M。

需要注意FEA 模型的坐標(biāo)和CFD 分析的完全一致。排氣歧管耦合分析網(wǎng)格沒(méi)有特別要求，只要保證接觸邊界的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)即可。

溫度場(chǎng)計(jì)算要對(duì)模型的相關(guān)部件施加CFD 計(jì)算結(jié)果熱邊界，因此，需要將排氣歧管內(nèi)腔和外壁面的面網(wǎng)格提取出來(lái)，并將這些面網(wǎng)格單獨(dú)寫成inp 文件，以供CFD軟件提取熱邊界。對(duì)于在前處理中提取的部件面網(wǎng)格單元，定義一個(gè)很小的厚度，一般定義0.001 mm 即可。

1.3 CFD 分析

1.3.1 內(nèi)流場(chǎng)CFD 分析

1）網(wǎng)格劃分。利用Fire 軟件自帶的Fame 工具劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的尺寸為2 mm。為了有利于計(jì)算的收斂，進(jìn)出口邊界均沿法線方向延長(zhǎng)了20 層（每層高度為2 mm）。最終的網(wǎng)格數(shù)目約為16.5 萬(wàn)，98%以上為六面體，其余為四面體、五面體等混合網(wǎng)格。

2）瞬態(tài)計(jì)算。瞬態(tài)計(jì)算共計(jì)算了5 個(gè)循環(huán)，前4 個(gè)循環(huán)為了計(jì)算收斂。取最后一個(gè)循環(huán)中氣體的溫度和換熱系數(shù)平均值作為熱應(yīng)力計(jì)算的邊界，如圖3 和圖4 所示。

圖3 熱應(yīng)力計(jì)算溫度邊界示意圖

圖4 熱應(yīng)力計(jì)算換熱系數(shù)示意圖

1.3.2 外流場(chǎng)CFD 分析

1）網(wǎng)格劃分。外流場(chǎng)主要是穩(wěn)態(tài)計(jì)算，模型包括排氣歧管、隔熱罩、增壓器、彎管等。為了模擬實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，外流場(chǎng)的計(jì)算域取3 倍發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，參考風(fēng)扇的鼓風(fēng)速度，設(shè)定外流場(chǎng)入口的風(fēng)速為8 m/s［2］。圖5 為外流場(chǎng)計(jì)算模型。

使用FAME生成以六面體為主計(jì)算網(wǎng)格?？紤]到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。由于隔熱罩厚度僅為3 mm 左右，因此需要進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格總數(shù)約為112 萬(wàn)。

2）瞬態(tài)計(jì)算。采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時(shí)間項(xiàng)，壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動(dòng)為可壓縮黏性湍流流動(dòng)，空氣為理想氣體，湍流模型k-z-f 方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11～200 之間［3］。殘差小于0.000 1。

圖5 排氣歧管外流場(chǎng)計(jì)算模型圖

外流場(chǎng)的計(jì)算為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，為了保證計(jì)算收斂，一般計(jì)算3 000 個(gè)迭代步。具體邊界條件如下：

進(jìn)口邊界條件：設(shè)為速度邊界，速度為8 m/s；出口邊界條件：設(shè)梯度為0。

排氣歧管外壁面的換熱系數(shù)和溫度分別如圖6、圖7所示，平均溫度為476.6 K，平均換熱系數(shù)為76.5 W/（m2·K）。

圖6 排氣歧管外壁面換熱系數(shù)分布示意圖

圖7 排氣歧管外壁面氣體溫度分布示意圖

1.3.3 CFD 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果的時(shí)域平均

瞬態(tài)計(jì)算（時(shí)間步或曲軸轉(zhuǎn)角）在每個(gè)時(shí)刻都會(huì)有一個(gè)計(jì)算結(jié)果，而FEM 計(jì)算只需要一個(gè)穩(wěn)態(tài)的熱邊界結(jié)果，因此，瞬態(tài)計(jì)算的結(jié)果不能直接應(yīng)用于FEM 計(jì)算，必須首先對(duì)其進(jìn)行時(shí)域平均［4］。

式中：φ 為對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)時(shí)刻（時(shí)間步或曲軸轉(zhuǎn)角）；h 為對(duì)流換熱系數(shù)；T 為溫度。

1.3.4 CFD 結(jié)果與Abaqus 有限元模型映射

映射是指CFD 計(jì)算與FEM 計(jì)算之間，在流固交界面上熱數(shù)據(jù)的交換，它實(shí)現(xiàn)了FIRE 和Abaqus 之間的流固耦合。

熱邊界來(lái)源與CFD 模擬結(jié)果，其獲取方法是將排氣歧管網(wǎng)格模型的面網(wǎng)格導(dǎo)出inp 格式（包含部件節(jié)點(diǎn)、單元信息即可）提供給CFD 分析人員，由CFD 分析人員提取出部件面單元的換熱系數(shù)與溫度文件，文件后綴名為.abaqinp。其中值得注意的兩點(diǎn)：1）提出的換熱系數(shù)與溫度信息要附在單元上；2）所有涉及到數(shù)值的信息要標(biāo)明單位，以免產(chǎn)生數(shù)量級(jí)上的錯(cuò)誤。

1.4 溫度場(chǎng)分析

1.4.1 溫度場(chǎng)分析FEA 設(shè)定

排氣歧管墊片單元類型采用DC3D15，實(shí)體單元類型選擇DC3D4，面網(wǎng)格單元類型采用DS3。輸入模型部件材料實(shí)測(cè)的隨溫度變化的彈性模量、泊松比和導(dǎo)熱系數(shù)值，考慮到保密事宜，只展示排氣歧管GGGSiMo51 的隨溫度變化彈性模量曲線，如圖8 所示。

圖8 排氣歧管GGGSiMo51 隨溫度變化的彈性模量曲線

由于加載熱邊界時(shí)需要使用include 語(yǔ)句，因此在進(jìn)行模型搭建時(shí)一般進(jìn)行手工編輯，而不是在ABAQUS/CAE 中進(jìn)行，首先在Hypermesh 中對(duì)各接觸對(duì)進(jìn)行綁定的定義。

圖9 分析步定義

定義完綁定后導(dǎo)出inp 格式，查看單元類型是否設(shè)定正確，在inp 文件結(jié)尾添加分析步，如圖11 所示。

模型搭建完成后提交計(jì)算，利用批處理方式提交，使用內(nèi)部命令abaqus job=filename.inp。

1.4.2 溫度場(chǎng)分析結(jié)果后處理

計(jì)算完成后，在Abaqus CAE Visualization 模塊中選擇NT11 查看溫度場(chǎng)分布云圖，評(píng)價(jià)最高溫度是否超過(guò)材料的溫度極限值，并保留結(jié)果文件以供熱應(yīng)力計(jì)算。

圖10 為排氣歧管外壁面的溫度分布，可以看出外壁面最高溫度543.2 ℃。

圖11 為排氣歧管內(nèi)壁面的溫度分布，可以看出其最高溫度546.6 ℃。

圖10 排氣歧管外壁面溫度分布

圖11 排氣歧管內(nèi)壁面溫度分布

為提高計(jì)算精度，可以進(jìn)行多輪反復(fù)迭代，將Abaqus中的結(jié)算結(jié)果文件提取出內(nèi)外壁面的溫度結(jié)果.rpt 文件，提交給CFD 分析工程師，進(jìn)行多輪重復(fù)迭代：在Abaqus后處理Visualization 模塊中點(diǎn)擊Create Display Group，分別選出并顯示排氣歧管內(nèi)外壁網(wǎng)格；再點(diǎn)擊Report Filed Output，在Variable 中選擇結(jié)果類型；在Setup 中定義文件名稱和存儲(chǔ)地址，確認(rèn)后即可生成溫度結(jié)果.rpt文件。

蠕墨鑄鐵TL047-SiMo4.5 排氣歧管材料的最高溫度限值為800 ℃，排氣歧管的外壁最高分析溫度遠(yuǎn)小于此材料的許用溫度限值，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5 熱應(yīng)力分析

1.5.1 熱應(yīng)力分析FEA 設(shè)定

排氣歧管墊片單元類型采用C3D12MN，實(shí)體單元類型選擇C3D10M，在熱應(yīng)力分析中不需要?dú)んw，刪除面單元。

熱應(yīng)力計(jì)算需要輸入材料隨溫度變化的彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、密度、比熱和塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

同時(shí)添加排氣歧管墊片的壓縮卸載曲線；對(duì)缸蓋（或模擬缸蓋）的一端施加固定約束，即約束1、2、3 自由度；施加排氣歧管螺栓的預(yù)緊力和熱載。

進(jìn)行3 個(gè)分析步熱應(yīng)力分析設(shè)定：

Step1：施加螺栓預(yù)緊力；

Step2：Fix boltlength，加載溫度場(chǎng)；

Step3：卸載。

1.5.2 熱應(yīng)力分析結(jié)果后處理

計(jì)算完成后，在Abaqus 后處理Visualization 模塊中進(jìn)行操作。圖12 為排氣歧管熱應(yīng)力分布云圖，可以看出，排氣歧管的熱應(yīng)力集中區(qū)域在EGR 連接管道過(guò)渡區(qū)域，最大熱應(yīng)力約在129.4～200MPa，其它區(qū)域都低于150 MPa，都遠(yuǎn)低于材料的屈服極限（≥400 MPa），滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖12 排氣歧管熱應(yīng)力分布

1.5.3 密封性后處理

墊片上的面壓應(yīng)大于15 MPa，如圖13 所示，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)可以提取螺栓的振蕩響應(yīng)應(yīng)力曲線。

圖13 墊片面壓分布

1.5.4 殘余熱應(yīng)力及殘余應(yīng)變結(jié)果后處理

圖14 為排氣歧管殘余熱應(yīng)力結(jié)果，可以看出排氣歧管在卸載工況下殘余熱應(yīng)力較小，在61.18 MPa 以下（螺栓預(yù)緊力加載區(qū)域不考察），靜強(qiáng)度和疲勞都滿足設(shè)計(jì)要求。

圖15 為排氣歧管殘余應(yīng)變結(jié)果，可以看出排氣歧管在卸載工況下最大殘余應(yīng)變?yōu)?.775%。根據(jù)AVL 的標(biāo)準(zhǔn)，該材料的累積塑性應(yīng)變最大限值為2%，可以判斷最大殘余應(yīng)變滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 排氣歧管殘余熱應(yīng)力分布

圖15 排氣歧管殘余應(yīng)變分布

2 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上的分析可知，排氣歧管熱應(yīng)力、密封性等都滿足設(shè)計(jì)要求，建議采用該設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行排氣歧管支架有限元分析，重點(diǎn)考察排氣歧管搭載各附件下的子系統(tǒng)在外界加速度激勵(lì)的應(yīng)力狀況和疲勞安全系數(shù)。

江淮汽車動(dòng)力總成研究院CAE 部通過(guò)使用AVL.Boost、Fire 以及Abaqus 軟件，已經(jīng)建立起較為成熟的熱固耦合分析能力，能對(duì)排氣歧管的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、密封性、螺栓響應(yīng)力、排氣歧管的殘余熱應(yīng)力及殘余應(yīng)變進(jìn)行評(píng)估。

為了提升熱固耦合分析的置信度，我們通過(guò)近2 年的時(shí)間，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)總成近30 種受溫度影響部件材料的隨溫度變化性能測(cè)試，包括隨溫度應(yīng)力應(yīng)變曲線和彈性模量等力學(xué)性能，以及包括隨溫度變化的熱膨脹系數(shù)、比熱、熱傳導(dǎo)率和密度等物熱性能。

［1］ 楊振寬.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］ 李龍超，許濤.某柴油機(jī)排氣歧管的熱固耦合分析［J］.汽車工程師，2011（3）：55-57.

［3］ 楊萬(wàn)里，許敏，劉國(guó)慶，等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷數(shù)值模擬［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（12）：98-100.

［4］ 郭立新，韓穎，惠涵，等.CFD-FE 耦合計(jì)算分析某汽油機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2009（2）：13-17.