毕业论文--Abaqus在排气歧管失效诊断研究中的应用

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1、Abaqus在排气歧管失效诊断研究中的应用摘要：针对在发动机开发过程中排气歧管开裂的工程问题，采用AbaqusCAE建立了排气歧管及其相关部件的有限元模型，根据排气歧管裂纹试验规范模拟计算排气歧管瞬态温度场；随后进行排气歧管的瞬态流固耦合分析，计算结果表明排气歧管局部存在塑性应变过大的情况，与裂纹试验中排气歧管开裂位置吻合；经过局部结构优化，最终解决了该排气歧管的开裂问题。关键词：排气歧管；失效；瞬态分析；塑性应变ApplicationOfAbaqusInTheExhaustManifoldFailu

2、reDiagnoseAbstract:Accordingtothefailureofexhaustmanifoldintheenginedevelopment,settingupFEAmodelusingAbaqusCAEsoftwaretosimulatetheexhaustmanifoldsystem,transienttemperatureandnolinearFEAanalysisisappliedaccordingtoexhaustmanifoldcracktest,thesimulatio

3、nresultsshowsthatthePEEQofsomelocationsislargerthantheguideline,whichhavegoodagreementwiththecracklocationsinthetest,theissueofexhaustmanifoldcrackhasbeensolvedfinallybymeansoflocalstructureoptimization.Keyword：Exhaustmanifold,Failure,Transientanalysis,

4、Plasticstrain　　　　　　　　　排气歧管是发动机的一个重要部件，工作环境温度极高，由于发动机的实际运行工况不停变化而承受冷热交变冲击，排气歧管的金属温度可以从常温在短时间内升高到900℃，同时也可以快速冷却。因此，排气歧管在工作过程中热负荷高、散热差、温度梯度大、变化急剧，极易引起热疲劳而导致开裂问题[1,2]。运用Abaqus有限元中瞬态热传导方法模拟发动机工作过程中排气歧管的热负荷变化情况，得到贴近实际情况的排气歧管金属温度变化情况，随后将温度场数据插值到瞬态非线性热应力计算中以便模拟

5、排气歧管在试验工况下的塑性变形情况和热-机械疲劳特性。有限元模型包括排气歧管、螺柱、螺母、垫片和缸盖、增压器、支架等[3,4]。分析中使用了基于试验数据的排气歧管弹塑性材料属性，计算结果表明塑性变形是排气歧管开裂的一个主要的原因；同时排气歧管法兰面的变形较大也会使垫片密封能力不足而导致漏气，与裂纹试验中排气歧管开裂及漏气位置吻合。通过对结果的分析改进，最终解决了排气歧管开裂漏气等复杂问题。排气歧管开裂位置见图1,研究技术路线见图2。图1排气歧管开裂区域N通过CFD计算，得到排气歧管表面气体温度及换热系

6、数FEA瞬态传热计算是否合理？瞬态FEA流固耦合计算是否合格？优化结构计算完成NYY图2技术路线图1．瞬态温度场计算1.1CFD计算CFD计算采用k-ε紊流模型，按照发动机WOT工况进行模拟，得出排气歧管内表面气体温度及传热系数，如下图3，图4。图3排气歧管内表面气体温度图4排气歧管内表面气体传热系数1.2FEA热传导计算1.2.1计算模型及边界条件将CFD计算出的气体热膜温度及传热系数作为边界条件通过Abaqus软件中的surface方法插值到FEA热传导计算模型中，设置各部件之间的连接关系及其导热

7、参数，考虑排气歧管隔热罩的热辐射效应和空气的对流效应，在排气歧管法兰面与缸盖安装面采用第一类边界条件，在排气歧管内表面采用第二类边界条件[5,6]。传热计算公式为：（1）其中，为导热系数；为温度；为单位体积放出的热量；为比热；为密度；为时间。第一类边界条件：（2）第二类边界条件：（3）其中，为传热系数；为表面放热系数；、、为边界表面外法线方向余弦。FEA热传导计算的工况按照排气歧管裂纹试验规范中的发动机运行工况分解为图5所示的两个冷热循环进行模拟，热传导计算模型如图6所示。图5热传导计算循环工况图6F

8、EA热传导计算模型1.2.2温度场结果图7为Retedpower工况下的排气歧管温度场结果，可知最高温度点位于第三支管隔板上，已超过900℃，该处高温氧化效应明显，同时，排气歧管背部由于隔热罩的热辐射作用，该处温度高于其他位置。A图7排气歧管温度场结果1.2.3温度场试验验证在排气歧管上安装热电偶传感器，测试其在ratedpower稳态工况下金属表面的温度，待温度数值温度后，记录数据，测试结果表明，测试值与计算值相近，认为温度场计算模型准确可靠，可用于后