某发动机紧耦合式排气歧管热结构分析

摘要

近年来发展起来的紧耦合式排气歧管能够很好的解决汽车冷启动阶段污染物排放的问题，这是因为三元催化器与排气歧管组合成一体，在冷启动阶段，催化剂能很快达到起燃催化温度，大大减少了污染物的排放量。作为新发展起来的一种排气歧管形式，目前学者们对紧耦合式排气歧管热结构性能的分析还比较少，又因为其结构形式、使用材料不同于传统的排气歧管，其长期承受高温和常温之间循环的温度作用，又受到来自周围部件传递来的振动激励作用，工作环境非常恶劣，所以有必要对其热结构性能进行分析研究。　　基于以上背景，本文对某企业新开发设计的一款紧耦合式排气歧管进行了热结构性能分析研究，主要目的是考察其是否满足使用要求。本文运用计算机数值模拟的方法，对该紧耦合式排气歧管从温度场、结构模态、热应力及低周热疲劳寿命等几个方面进行了热结构性能的计算分析。　　主要工作内容如下：　　（1）依据企业提供的发动机及排气系统设计参数，运用GT-power软件建立了带有排气系统的发动机一维仿真模型，并基于发动机的外特性实验数据验证了模型的合理性，最后得出了下一步计算分析所需的边界条件。　　（2）运用流体仿真软件STAR-CCM+与固体仿真软件ABAQUS联合仿真分析了流固耦合换热问题，依据HB5217-1982《金属低周热疲劳试验方法》，对该排气歧管进行非稳态流固耦合换热分析，通过计算得出了流体域外壁面的温度场和对流换热系数场，同时也得出了固体域的温度场。　　（3）基于上一步得到的固体域温度场，计算并分析了该排气歧管的热模态参数，并对其模态固有频率做了评价。计算了不同温度载荷下的结构约束热模态，总结出了温度载荷对结构模态的影响规律。　　（4）在周期循环温度载荷作用下，对该排气歧管结构的热变形、热应力、等效塑性应变进行了仿真分析，依据Manson-Coffin公式估算出了该排气歧管的低周热疲劳寿命。在以上分析结果的基础上，对该排气歧管进行了改进。　　分析结果表明：温度的升高对结构模态的固有频率有降低的效应，并且模态阶次越高降低的幅度越大，此排气歧管不会出现共振现象。四个支管汇合处的温度比较高，并且此区域的温度梯度大，产生的热应力超过了材料屈服强度，计算出了低周热疲劳寿命，表明该排气歧管可以满足使用要求，改进后的热结构性能有所提高。

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