毕业论文--某发动机排气歧管热负荷分析

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1、某发动机排气歧管热负荷分析摘要：本文采用流固耦合的方法对某款汽车发动机排气歧管的开发进行验证，指导排气歧管设计工作。对排气歧管进行热应力仿真计算，首先用CFD软件计算排气歧管内外壁面的对流换热系数和环境温度，再用有限元的方法计算了排气歧管的温度场和热应力。通过仿真分析得到排气歧管设计开发中可能出现的危险区域，指导排气歧管的开发设计。关键词：排气歧管1；流固耦合2；温度场3；热应力4ThermalloadanalysisofengineexhaustmanifoldAbstract：Thisarticleadoptsthefluid-structurecouplingmethodtoguid

2、ethedesignofaengineexhaustmanifold.Toaccomplishthethermalstresssimulation,firstlywecalculatetheconvectiveheattransfercoefficientandtheenvironmenttemperatureofbothexhaustmanifold’sinsideandoutsidewall.Thenweusethefiniteelementmethodtocalculatethetemperaturefieldandthermalstressofexhaustmanifold.Wit

3、hthermalsimulationanalysis,wefoundthethermalstress’sriskareaandobtainedthedesignguidanceoftheexhaustmanifold.KeyWords:exhaustmanifold;fluid-solid coupling;temperaturefield;thermalstress1.前言随着内燃机性能的不断提高，其零部件的热负荷也随之增大。排气歧管作为发动机的主要受热件，具有工作热负荷大、热应力高等特点，容易产生热疲劳失效、断裂等问题。因此在发动机的设计阶段，对排气歧管进行热应力分析是非常有必要的。本

4、文采用流固耦合的方法计算排气歧管的温度场和热应力，先用FIRE软件分析排气歧管内外壁面的对流换热系数和环境温度，再用ABAQUS软件计算温度场和热应力。2.排气歧管CFD计算2.1内流场计算与结果首先考虑热负荷最恶劣的情况,即在发动机额定功率下的工况,通过GTPower软件计算得到了发动机在额定转速6000rpm时一个工作循环下排气歧管各个出口的流量、温度随曲轴转角变化的曲线，作为Fire软件的瞬态边界条件来计算排气歧管的内流场，得到排气歧管内壁面的瞬态对流换热系数和环境温度，再用时间平均的方法计算出内壁面对流换热系数及环境温度，如图2.1所示。图2.1内壁面换热系数和温度2.2外流场计算

5、与结果外流场采用稳态计算方法，计算模型是模拟在实验室情况下，发动机前方布置一个风扇，以2.5kg/s的空气流量吹向发动机，（试验数据），对发动机进行冷却，出口采用静压即一个标准大气压。同样考虑热负荷最恶劣的情况，即在发动机额定功率下的工况，根据性能计算得到排气歧管外部壁面温度和换热系数,如图2.2所示。图2.2外壁面换热系数和温度1.排气歧管温度场计算排气歧管温度场计算的控制方程∂∂xk∂t∂x+∂∂yk∂t∂y+∂∂zk∂t∂z=-q（1）热边界条件为第一类边界条件t=g(x,y)和第三类边界条件-k∂t∂n=h(t-tf)，和缸盖接触壁面给第一类边界条件，其余面给第三类边界条件。排气歧

6、管内外壁的热边界条件由CFD计算得到。图3.1为排气歧管温度场计算结果，最高温度为693.8℃，出现在排气歧管支管交汇处；最低温度为190.7℃，出现在与气缸缸盖接触的1号法兰盘外侧边缘，由于此处朝向风机端，故温度要低于法兰盘另一侧。由云图可知，排气歧管温度分布不均匀，存在较大温差，这就必然产生较大的热应力。2号法兰盘1号法兰盘图3.1排气歧管的温度分布2.排气歧管热应力计算4.1排气歧管有限元模型排气歧管FE模型如图4.1所示，计算网格包括排气歧管、排气歧管螺栓和一个简化的同排气歧管相连的部分气缸盖网格。其中，排气歧管与部分缸盖采用十节点的四面体网格，螺栓采用一阶六面体网格。在计算中，建

7、立了螺栓和排气歧管、排气歧管和气缸盖间的接触边界条件。计算中设定图4.1中的端面A为固定约束，由于计算对象为排气歧管，所以气缸盖的过约束对其计算影响不大。A图4.1排气歧管模型4.2排气歧管热应力计算模型为了分析热负荷对排气歧管热应力、热变形的影响，本文计算了排气歧管只在温度场作用下的热应力、热变形。其基本方程为：δ=K{Rt}（2）σ=DBδ-ε0（3）式中，K为总体刚度矩阵；D为弹性矩阵；B为应变矩阵；σ为节点应力矩