某发动机排气歧管的热疲劳分析与优化

摘要

随着我国汽车工业的快速发展，汽车的保有量也在不断地增长。这给我们带来了许多社会问题，如空气污染、噪声污染、能源危机等问题。解决这些问题的关键是在于设计出性能良好的排气系统，排气歧管作为发动机排气系统的重要组成部分，它的性能直接影响到发动机的工作性能，排气歧管与发动机缸盖直接相连，受发动机所排放废气的热冲击较大，同时又受到发动机振动的影响，排气歧管在这种激冷激热的交变载荷作用下，很容易疲劳失效，因此对排气歧管进行热疲劳分析具有重要的工程意义，也为排气歧管的研发设计提供了一定的理论依据。随着排放法规的日益严格，设计出性能优越、结构合理的排气歧管就显得尤为重要，这也是我国自主研发汽车品牌的一部分。　　本文结合企业某车型的发动机排气歧管，利用HyperMesh、Fluent、Abaqus等大型有限元软件对排气歧管进行了内流场、温度场、热强度、热模态和热疲劳数值模拟仿真分析。本文的主要工作内容如下：　　（1）根据企业提供的排气歧管三维模型提取其内部流道，并建立好排气歧管CFD分析模型，对排气歧管进行稳态内流场仿真分析，分析排气歧管内表面的压力分布、温度分布和表面对流换热系数。　　（2）再根据已计算好的内表面温度和换热系数，将其映射到排气歧管结构有限元模型上，通过插值法对其进行流-固耦合仿真分析，计算出排气歧管的温度场。　　（3）考虑排气歧管在实际的装配过程中受螺栓预紧力的作用，结合排气歧管的温度场，模拟排气歧管在发动机正常工作和停机冷却两种循环工况下的热强度，排气歧管在发动机正常工作状态下的温度设为其温度场，排气歧管在发动机停机冷却状态时的温度设为常温，对其进行六次循环模拟，分析排气歧管的热应力及热变形。　　（4）排气歧管受发动机与车架振动的影响，对排气歧管进行热模态分析，分析其在温度场作用下的振动特性，并对其分析结果进行相应评价。　　（5）考虑排气歧管长期处于激冷激热交变载荷作用下的工作环境，很容易疲劳失效，有必要对其进行热疲劳分析，分析其在六次循环载荷作用下的等效塑性应变，并根据相关企业标准，对其分析结果进行评价。　　（6）最后，基于以上分析结果，对排气歧管进行合理的结构改进，并将改进后的排气歧管与原模型进行对比分析，结果表明：改进后的排气歧管在综合性能有很大的提高，达到产品的最终设计要求，表明该方案可用于解决实际工程问题。　　本文利用有限元分析方法比较系统地对排气歧管进行了热疲劳分析与优化设计，大大地缩短了产品的开发周期，减少了试验件数量，为企业节约了大量的成本，为类似排气歧管的结构设计提供参考。

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1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目的和主要内容

1.4 本章小结

2 排气歧管内部流场数值模拟

2.1基本守恒方程

2.2 湍流模型

2.3 排气歧管内流场CFD计算模型的建立

2.4内流场仿真结果分析

2.5 本章小结

3 排气歧管的热应力及热变形分析

3.1 热传导

3.2 热应力的广义虎克定律

3.3排气歧管有限元模型的建立

3.4排气歧管温度场分析

3.5排气歧管热应力及热变形分析

3.6本章小结

4 排气歧管热模态分析

4.1热模态定义

4.2热模态分析理论

4.3排气歧管的自由热模态分析

4.4排气歧管的约束热模态分析

4.5模态评价

4.6本章小结

5 排气歧管热疲劳分析

5.1疲劳的基本概念

5.2疲劳的分析方法与疲劳设计方法