汽车发动机排气歧管的热疲劳性能研究

摘要

随着排放法规的日益严格与发动机性能的不断提高，发动机排气温度也同步升高。排气歧管是发动机排放废气首先流经的部件，工作时处于高温状态。排气歧管受热会发生膨胀，在内部及外部的约束下会产生热应力。不断的在受热膨胀与冷却收缩之间循环，排气歧管容易产生塑性变形而最终产生裂纹、破坏。必须加大对排气歧管热负荷及热疲劳性能的重视。基于此，对发动机4A15S配套用排气歧管进行了热疲劳性能研究。
　　本课题主要研究内容及结论如下:
　　(1)对排气歧管内流道进行入口速度不变的稳态流场分析。排气歧管的功用是把发动机排出的废气导入三元催化载体，最后经排气管排出机体。其流通性与流速均匀性是其最基本性能，需对其进行流场分析以知悉该两种性能。首先对流场进行网格独立性分析，根据验证结果确定了流场分析所要采用的网格尺寸。采用经由网格独立性分析得到的网格尺寸，对排气歧管内流道进行了入口速度不变的稳态流场分析，结果表明该排气歧管流通性及流速均匀性良好。
　　(2)提出可用于计算结构等效塑性应变的排气歧管入口边界条件等效方案。如若完全按照实际的排气歧管出入口边界条件对其采用流固热耦合方法计算其工作时的稳定热负荷，计算量过大，现有计算机难以满足计算要求。根据质量与能量守恒法则，对一维仿真结果提出了等效方案。建立简化模型，验证了等效模型可用于计算结构的等效塑性应变。
　　(3)建立发动机一维性能仿真模型。为获取排气歧管热负荷分析的边界条件，建立了发动机4A15S一维性能仿真模型，并进行了试验验证。验证结果表明该仿真模型计算结果与实验相符，可用于后续研究。
　　(4)排气歧管热负荷分析。利用等效的入口边界，采用体映射方法，对排气歧管建立流固热耦合模型，计算得到一个循环工况内排气歧管的热负荷，找到排气歧管最危险位置。
　　(5)排气歧管热疲劳寿命分析。利用计算得到的排气歧管在一个循环内的等效塑性应变增量（ΔPEEQ），采用Manson-Coffin公式计算了排气歧管热疲劳寿命。分析了Manson-Coffin公式中的材料常数C和α值对采用Manson-Coffin公式计算得到的热疲劳寿命的影响。结果表明应用Manson-Coffin公式计算排气歧管热疲劳时，α值的选取极为关键，对最终计算到的结构热疲劳寿命有极大影响。以歧管壁厚、线膨胀系数、屈服强度及弹性模量为设计变量，对排气歧管热疲劳寿命相关参数进行灵敏度分析。分析结果表明，4个参数中，排气歧管热疲劳寿命对排气歧管壁厚最敏感;材料参数中，排气歧管热疲劳寿命对线膨胀系数最敏感;歧管壁厚、屈服强度这两个参数与排气歧管热疲劳寿命成正相关。
　　本课题的创新点如下:
　　(1)提出了可用于计算结构等效塑性应变的排气歧管入口边界条件等效方案，并建立简化模型验证了该等效方案。该等效方法较常用的时域平均方法而言，计算简单方便，可行性更高，在流固热耦合计算时，能实现流固间位移与压力等物理量的动态传递。
　　(2)对排气歧管热疲劳寿命相关参数进行灵敏度分析，找到了对排气歧管热疲劳寿命最敏感的参数。
　　(3)采用体映射方法建立了排气歧管流固热耦合分析模型，计算并分析了排气歧管在一个工作循环内的热负荷。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 排气歧管内流道流场研究分析

1．2．2 排气歧管热负荷研究分析

1．2．3 排气歧管振动特性分析

1．2．4 排气歧管疲劳研究分析

1．3 主要研究内容

第2章 排气歧管稳态内流场分析

2．1 引言

2．2 排气歧管稳态内流场模型建立

2．2．1 排气歧管几何模型

2．2．2 网格划分

2．2．3 求解设置

2．3 排气歧管稳态内流场分析

2．3．1 网格独立性分析

2．3．2 CFD模型设置

2．3．3 计算结果分析

2．4 本章小结

第3章 入口边界条件等效方案

3．1 引言

3．2 流固热耦合物理量传递方式

3．2．1 直接转换法

3．2．2 体映射法

3．2．3 面映射法

3．3 等效方案理论

3．3．1 时域平均方法

3．3．2 等效方案理论

3．4 等效方案的验证

3．4．1 简化结构流固热耦合模型的建立

3．4．2 计算结果分析

3．5 本章小结

第4章 排气歧管热负荷分析

4．1 引言

4．2 发动机性能模拟计算与验证

4．2．1 一维模型搭建

4．2．2 一维模型验证

4．2．3 模拟结果及分析

4．3 排气歧管流固热耦合模型建立及计算

4．3．1 等效入口边界条件

4．3．2 求解设置

4．4 排气歧管温度场试验验证

4．5 排气歧管热负荷计算结果分析

4．5．1 排气歧管温度场分析

4．5．2 排气歧管热应力分析

4．5．3 排气歧管等效塑性应变分析

4．6 本章小结

第5章 排气歧管热疲劳性能分析

5．1 引言

5．2 排气歧管热疲劳寿命估算

5．3 结构热疲劳寿命计算中材料常数影响的讨论

5．4 排气歧管热疲劳寿命相关参数灵敏度分析

5．4．1 正交试验设计

5．4．2 灵敏度分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 课题创新点

6．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研参与情况