abaqus在排氣歧管失效診斷研究中的應用20151016

1、作者簡介作者簡介：王艷軍(1984)，男，碩士，工程師；主要研究方向為內燃機結構強度及NVH。Email:wangyanjun@AbaqusAbaqus在排氣歧管失效診斷研究中的應用在排氣歧管失效診斷研究中的應用王艷軍，崔權，鄔文睿，張小矛（上海汽車集團股份有限公司技術中心上海市汽車動力總成重點實驗室上海201804）摘要摘要：針對在發(fā)動機開發(fā)過程中排氣歧管開裂的工程問題，采用AbaqusCAE建立了排氣歧管及其相關部件的有限元模型，根

2、據(jù)排氣歧管裂紋試驗規(guī)范模擬計算排氣歧管瞬態(tài)溫度場；隨后進行排氣歧管的瞬態(tài)流固耦合分析，計算結果表明排氣歧管局部存在塑性應變過大的情況，與裂紋試驗中排氣歧管開裂位置吻合；經(jīng)過局部結構優(yōu)化，最終解決了該排氣歧管的開裂問題。關鍵詞關鍵詞：排氣歧管；失效；瞬態(tài)分析；塑性應變ApplicationOfAbaqusInTheExhaustManifoldFailureDiagnoseWangYanjunCuiQuanWuWenruiZhangXia

3、omao(SAICMotTechnicalCenterShanghaiKeyLabatyofAutomobilePowertrainShangHai201804)Abstract:AccdingtothefailureofexhaustmanifoldintheenginedevelopmentsettingupFEAmodelusingAbaqusCAEsoftwaretosimulatetheexhaustmanifoldsyste

4、mtransienttemperaturenolinearFEAanalysisisappliedaccdingtoexhaustmanifoldcracktestthesimulationresultsshowsthatthePEEQofsomelocationsislargerthantheguidelinewhichhavegoodagreementwiththecracklocationsinthetesttheissueofe

5、xhaustmanifoldcrackhasbeensolvedfinallybymeansoflocalstructureoptimization.Keywd：ExhaustmanifoldFailureTransientanalysisPlasticstrain排氣歧管是發(fā)動機的一個重要部件，工作環(huán)境溫度極高，由于發(fā)動機的實際運行工況不停變化而承受冷熱交變沖擊，排氣歧管的金屬溫度可以從常溫在短時間內升高到900℃，同時也可以快速冷卻

6、。因此，排氣歧管在工作過程中熱負荷高、散熱差、溫度梯度大、變化急劇，極易引起熱疲勞而導致開裂問題[12]。運用Abaqus有限元中瞬態(tài)熱傳導方法模擬發(fā)動機工作過程中排氣歧管的熱負荷變化情況，得到貼近實際情況的排氣歧管金屬溫度變化情況，隨后將溫度場數(shù)據(jù)插值到瞬態(tài)非線性熱應力計算中以便模擬排氣歧管在試驗工況下的塑性變形情況和熱機械疲勞特性。有限元模型包括排氣歧管、螺柱、螺母、墊片和缸蓋、增壓器、支架等[34]。分析中使用了基于試驗數(shù)據(jù)的排氣

7、歧管彈塑性材料屬性，計算結果表明塑性變形是排氣歧管開裂的一個主要的原因；同時排氣歧管法蘭面的變形較大也會使墊片密封能力不足而導致漏氣，與裂紋試驗中排氣歧管開裂及漏氣位置吻合。通過對結果的分析改進，最終解決了排氣歧管開裂漏氣等復雜問題。排氣歧管開裂位置見圖1研究技術路線見圖2。圖1排氣歧管開裂區(qū)域排氣歧管開裂區(qū)域過900℃，該處高溫氧化效應明顯，同時，排氣歧管背部由于隔熱罩的熱輻射作用，該處溫度高于其他位置。圖7排氣歧管溫度場結果排氣歧管

8、溫度場結果1.2.3溫度場試驗驗證在排氣歧管上安裝熱電偶傳感器，測試其在ratedpower穩(wěn)態(tài)工況下金屬表面的溫度，待溫度數(shù)值溫度后，記錄數(shù)據(jù)，測試結果表明，測試值與計算值相近，認為溫度場計算模型準確可靠，可用于后續(xù)的熱應力分析，如圖8所示。圖8溫度場測試結果與計算值對比溫度場測試結果與計算值對比2瞬態(tài)流固耦合計算瞬態(tài)流固耦合計算2.12.1計算模型及邊界條件計算模型及邊界條件以熱傳導所得到的溫度場結果為邊界條件，插值應力計算模型中，

9、疊加該模型中所受到的機械載荷，進行流固耦合計算，其基本方程為：（4）??????KRt??（5）????????????0DB?????其中，為總體剛度矩陣，為彈性矩??K??D陣，應變矩陣，為總體載荷矩陣，為節(jié)??B??Rt???點應力矩陣。圖9為流固耦合計算模型，包括缸蓋、排氣歧管、渦輪增壓器蝸殼、三個墊片、前催、螺栓、支架等。由于要考察墊片面壓，墊片與各部件之間和螺栓壓緊面必須定義為Abaqus中的contactpair，其余部件

10、之間可定義為contacttied或者tie。所有模型均采用塑性材料屬性。本次計算共分三步，第一步施加螺栓預緊力，第二步固定螺栓長度，第三步按照圖10循環(huán)工況進行三個冷熱循環(huán)計算。由于流固耦合計算隨著第四個冷熱循環(huán)的增加，塑性應變趨于穩(wěn)定，故均衡計算成本與計算精度兩方面，進行三個冷熱循環(huán)計算即可滿足模擬實際排氣歧管工作情況的要求。圖9流固耦合計算模型流固耦合計算模型圖10FEA流固耦合計算循環(huán)工況流固耦合計算循環(huán)工況2.22.2流固耦合