FSC赛车排气系统疲劳强度分析及优化

摘要

发动机排气管在运行过程中承受着低温和高温的载荷交变,易产生疲劳破坏,对于转速高达11 000 r/min^13 000 r/min的FSC(Formula Student China)赛车发动机,其排气管疲劳破坏问题更加突出。以FSC赛车排气系统为研究对象,分析其疲劳强度并进行排气管壁厚的优化。首先利用Fluent软件对排气系统进行共轭传热分析,确定排气系统的温度分布,然后把温度分布映射到排气系统有限元网格,通过有限元技术分析热应力和热应变;接着设置排气歧管"正常工作-停车冷却"循环,以及排气歧管极限工况循环两种方案,对热应力进行两种方案下的热循环仿真,确定排气在每一次循环的交变载荷之下都在积累塑性变形,而排气系统最终会在塑性变形的累计下,萌生裂纹并被破坏;随后利用Ansys nCode Design Life疲劳分析软件对两种方案下的疲劳寿命进行研究,结果表明两种方案都有效反映了排气歧管温度场、热应力和应变共同作用下的低周疲劳损伤部位寿命预测情况。基于以上分析,采用极限工况循环方案对排气壁厚进行优化,最终通过实验验证1.2 mm壁厚钢管满足FSC排气需要。