基于Fluent的排气歧管热应力仿真分析.pdf
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1、摘要:发动机排气歧管工作环境恶劣,在持续高温环境下,排气歧管受热应力作用,容易出现变形甚至开裂等问题,严重影响到发动机的运行状况。为了降低排气温度、提高发动机的安全性和可靠性,首先将某型号发动机排气歧管的材料由碳素钢 Q235 更换为不锈钢 409;然后基于 Fluent 对排气歧管的工作过程进行仿真计算,分析了 2 种材料在相同的流固耦合作用下对排气歧管热变形以及热应力分布情况的影响;最后对不锈钢 409 排气歧管的结构进行了优化设计,有效减小了排气歧管所承受的热应力。关键词:排气歧管流固耦合热变形热应力优化设计中图分类号:U464.12文献标识码:A文章编号:2095-8234(2023)
2、04-0051-06Simulation Analysis of Exhaust Manifold Thermal StressBased on FluentYANG Tao1;ZHAO Wei1;LI Jianghao2;GUO Peng11-School of Mechanical Engineering,North University of China(Taiyuan,Shanxi,030051,China)2-Shanxi Weiding Industrial Co.,Ltd.Abstract:The working environment of the engine exhaust
3、 manifold is harsh.Under continuous high-tem原perature conditions,the exhaust manifold is subjected to thermal stress,which can easily cause deforma原tion or even cracking,seriously affecting the operation of the engine.In order to reduce exhaust tempera原ture,improve the safety and reliability of the
4、engine,firstly,the material of the exhaust manifold of a cer原tain model engine is changed from Q235 carbon steel to stainless steel 409.Then,based on Fluent,theworking process of the exhaust manifold is simulated,and the influence of two materials under the samefluid-solid coupling on the deformatio
5、n and thermal stress distribution of the exhaust manifold are ana原lyzed.Finally,the structure of the stainless steel 409 exhaust manifold is optimized,effectively reducingthe thermal stress borne by the exhaust manifold.Keywords:Exhaust manifold;Fluid-solid coupling;Thermal deformation;Thermal stres
6、s;Optimal design*基金项目:山西省高等学校科技创新项目(2019L0607),山西省煤层气联合研究基金项目(2015012018),山西省研究生教育创新项目(2021Y584、2021Y585)。作者简介:杨焘(1998-),男,硕士研究生,主要研究方向为现代加工理论及技术。通讯作者:赵韡(1987-),男,博士,副教授,主要研究方向为现代加工理论及技术。基于 Fluent 的排气歧管热应力仿真分析*杨焘1赵韡1李江浩2郭鹏1(1-中北大学机械工程学院山西太原0300512-山西伟鼎实业有限责任公司)引言排气歧管是发动机的重要组成部分,在持续高温气体冲击下,排气歧管受热膨胀,产
7、生的热应力使排气歧管容易出现变形甚至开裂等问题。此外,在热应力作用下,排气歧管不停地膨胀收缩,容易发生热塑性应变;随着高温下材料强度大幅降低,排气歧管出现疲劳开裂、密封垫损坏等失效情况的可能性增小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023小型内燃机与车辆技术第 52 卷大1。排气歧管出现故障的原因主要有:材料选择不佳、结构设计不合理以及相关制作工艺不完善等2。排气歧管失效问题严重影响着排气歧管的使用寿命以及综合性能
8、,需对其结构进行优化3。在工作过程中,排气歧管的热量一般通过热传导方式传导至相邻结构,或者以热辐射以及热对流方式传递到大气环境中。因此,在工作过程中,排气歧管的温度梯度较大,使得发动机性能及其废气排放受到较大影响4。在实际工作过程中,经常出现排气歧管与发动机连接端密封失效、高温废气泄漏、紧固螺栓断裂、冷却水滴漏、冷却水流通受阻以及尾气排放阻力增大等问题。研究发现,热特性以及散热结构是影响排气歧管使用寿命的重要因素5-6。在研究高温工作环境对排气歧管的影响时,为了缩短设计开发周期、降低研究成本,可采用数值计算的方法对排气歧管流场以及热应力分布情况进行分析,不仅可以预测工作过程中潜在的问题,还可以
9、为后续排气歧管结构优化设计提供参考7-8。本文基于 ANSYS Workbench 计算平台,采用Fluent 计算模块分析排气歧管在工作过程中涉及到的尾气排放、固体结构材料之间的传热以及变形等物理过程,对仿真计算后排气歧管的热变形、热应力分布情况进行分析。基于计算结果提出了优化方案,通过试验证明了其有效性。1模型分析本文以某型号发动机为研究对象,对其排气歧管工作过程进行仿真分析,建立排气歧管模型如图 1所示。首先对排气歧管结构进行如下简化处理:几何模型保留功能结构,忽略工艺结构;物理边界条件相关参数根据理论计算确定,忽略实际工况中的变化及波动。然后分析模型内流场,将排气歧管计算流体域从模型空
10、腔内抽取出来后划分网格,网格单元类型为四面体,单元数为 810 918,节点数为 157 399;流体域入口、出口设置如图 2 所示。鉴于流体域高温烟气湍流特征明显,采用标准 k-着 湍流模型进行内流场及温度场计算;壁面使用对流换热模型,采用温度壁面;流体域入口温度4取 973 K。仿真计算边界条件参数设置见表 1。将内流场温度分布结果映射到所建立的排气歧管模型内壁面,通过计算可得到固体内壁面温度分布情况;将内壁面温度场作为下一步求解固体域热变形以及热应力计算结果的热边界条件。分析过程中,排气歧管材料采用碳素钢 Q235,其材料属性见表 2。排气歧管入口处与发动机连接,因此在排气歧管 6 个入
11、口处施加位移约束,对排气歧管热变形以及热应力分布情况进行计算。2仿真结果分析流固耦合仿真分析所得排气歧管外壁面温度分布情况如图 3 所示。图 1排气歧管模型图 3碳素钢 Q235 排气歧管外壁面温度分布情况温度/K973.516 Max895.772818.028740.283662.539584.795507.051429.307351.563273.818 Min图 2排气歧管流体域入口、出口设置示意图项目参数入口类型质量流量入口流量/(kg s-1)0.12入口温度/K973出口类型压力出口压力/MPa绝对大气压对流换热系数/(W (m2 K)-1)30环境温度/K300表 1内流场仿真
12、计算边界条件表 2碳素钢 Q235 材料属性项目参数密度/(g cm-3)7.85热膨胀系数1.3伊10-5杨氏模量/MPa2伊10-5泊松比0.26屈服强度/MPa235入口 2入口 1入口 3入口 4入口 5入口 6出口52第 4 期碳素钢 Q235 排气歧管的热变形以及热应力分布情况如图 4 所示。图 3 与图 4 的仿真计算结果显示:排气歧管温度在入口、出口处达到最大,整体变形向出口方向发展,出口位置变形量最大,达到 2.235 2 mm;排气歧管的平均变形量为 0.892 mm,整体变形情况不严重。各尾气通道与入口结合部位热应力较大,原因是分析时在入口处施加了约束,导致入口处自由膨胀
13、受到限制,机械应力与热应力共同作用导致入口处出现应力集中;排气歧管所承受的平均热应力为1 002.2 MPa,远远超过了材料的屈服强度,容易发生塑性变形甚至出现开裂、漏气现象,进而导致排气歧管失效。3优化设计3.1材料优化研究表明,排气歧管所用材料必须在高温下具备良好的抗氧化性能9。从上述分析计算结果可知,碳素钢 Q235 并不能满足要求,应采用不锈钢等高温环境下强度依旧符合要求的材料10。不锈钢 409 的材料属性见表 3。从表 2 和表 3 可知,与碳素钢 Q235 相比,不锈钢 409 的材料密度减小了 1.91%、热膨胀系数减小了 15.38%、屈服强度增大了 76.60%,理论上,不
14、锈钢409 更适于用作排气歧管材料。采用不锈钢 409 作为排气歧管材料,对排气歧管工作过程进行仿真计算。图 5 为不锈钢 409 排气歧管热变形以及热应力分布情况。由图 5 可知,与使用碳素钢 Q235 相比,使用不锈钢 409,排气歧管在工作过程中的热变形与热应力均有所减小,但排气歧管的总体热变形与热应力依然偏大。为了进一步提高排气歧管的工作可靠性,本文对不锈钢 409 排气歧管进行优化设计。3.2结构优化实际工作环境中,在超载、超速或遇到特殊路况时,排气歧管负荷大幅增加,失效可能性增大。为了进一步缓解排气歧管热应力集中现象,使整个排气歧管裸露金属表面温度达到安全要求值,从而使排气歧管在不
15、同工作状况下都符合使用要求,必须对排气歧管结构进行优化。为此,本文设计了一种全包覆水冷不锈钢 409 排气歧管。其原理是:在排气歧管通道周围新增冷却通道,通过在冷却通道中通入冷却水来降低排气歧管温度。3.2.1优化结构仿真分析为了更加贴合实际,仿真分析分为 2 部分,分别对优化后的不锈钢 409 排气歧管空载和负载 2 种工作状态下排气歧管热变形以及热应力分布情况进行仿真计算。其中,负载状态下汽车负载质量为 5000kg。冷却水入口流量为 3 L/min,入口温度为 293 K;空载图 4碳素钢 Q235 排气歧管热变形以及热应力分布情况热变形量/mm2.235 2Max1.986 81.73
16、8 51.490 11.241 80.993 420.745 070.496 710.248 360 Mina)碳素钢 Q235 排气歧管热变形情况339 3.5 Max3 017.32 6412 264.81 888.51 512.31 136759.76383.517.254 3 Min热应力/MPab)碳素钢 Q235 排气歧管热应力分布情况表 3不锈钢 409 材料属性项目参数密度/(g cm-3)7.7热膨胀系数1.1伊10-5杨氏模量/MPa1.98伊10-5泊松比0.28屈服强度/MPa415图 5不锈钢 409 排气歧管热变形及热应力分布情况热变形量/mm1.845 8 Max
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