某排气歧管的热负荷分析

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　　本文采用热固耦合的方法，对某排气歧管的温度场以及热应变进行了分析，发现在三、四缸的结合部出现较大塑性变形，超出了评价标准。根据找出的问题对排气歧管结构进行优化，令塑性变形大大降低，满足了设计要求。
　　排气歧管是发动机的关键零部件，主要用于将各缸燃烧后的废气排出气缸，多选用铸铁、不锈钢等耐温材料。随着发动机强化程度的不断提高，排气温度不断上升，使得排气歧管的工作环境越来越恶劣，在排气歧管的开发过程中多次出现歧管出现裂纹、甚至断裂的现象。因此，对于排气歧管的热负荷研究正成为各大汽车厂商致力于研究的课题。
　　本文采用热固耦合的方法对排气歧管的温度场以及热应变进行了分析，找出原方案中存在的问题，并对其进行了优化。
　　

　　建立计算模型
　　1. 模型描述
　　整个计算域包括排气歧管、排气歧管垫片、与排气歧管相连的一部分缸盖模型、排气门座圈、固定螺栓以及排气歧管后涡轮进口的部分模型等（见图1）。划分网格时主要采用C3D10M单元，对于垫片而言，则需采用GK3D12M单元。
　　2. 材料属性
　　材料数据主要包括弹性模量（Ε）、泊松比（ν）、线膨胀因数（α）和热传导率（λ）。各零部件的具体材料属性如表1所示。
　　

　　3. 装配载荷
　　装配载荷包括所有螺栓的预紧力。其中，排气歧管进口凸缘面螺栓的预紧力为15.66kN，而出口凸缘面的螺栓预紧力为14.26kN（见图2）。
　　

　　4. 约束定义
　　表2定义了不同部件接触面之间的约束。
　　

　　边界条件
　　边界条件是CAE计算的关键数据，边界条件的精确与否，直接关系到计算的准确性。本文中的边界条件分别从气路（排气歧管内部的气流）、水路（冷却水套中的水流）以及油路（润滑油路中的油）三个方面给定。
　　1. 排气歧管热边界
　　排气歧管的热边界条件来自于排气歧管的CFD计算，通过CFD计算，得到排气歧管在一个工作循环内（曲轴转角720°）近壁面处气流的换热因数以及温度的瞬态值，然后对这些瞬态值进行时域平均，得到稳态值，最后将稳态值映射到排气歧管的表面，作为排气歧管的热边界条件。
　　

　　2.缸盖冷却水套的热边界
　　由于在某一固定工况下，冷却水套中冷却液的流动是稳态的，因此，冷却水套的CFD计算为一个稳态计算，可以直接得到水套近壁面换热因数及温度的稳态值，然后直接映射于水套表面。又由于本文中计算域仅包括部分缸盖水套，因此只需映射这部分的缸盖水套即可。
　　

　　3. 油路热边界
　　由于缸盖中存在一部分油路，这部分润滑油产生的热量也作为计算域的热边界条件。油路的运行非常稳定，一般不做专门的CFD分析，而是根据经验来给定这部分的热边界条件（见表3）。
　　仿真结果
　　根据前面的设置，通过CAE软件ABAQUS对排气歧管的热负荷进行分析。
　　1. 原方案结果分析
　　图3所示为排气歧管的温度场分布，从中可以看到，在第三缸附近、靠近排气出口的部位温度最高，达到911℃，且高温面积较大。图4所示的则是排气歧管的塑性变形，从中可以看到，在排气歧管1、2、3缸与4缸交口的部位出现较大的塑性变形，达到0.021。而根据公司的标准，塑性变形必须控制在0.02以内，因此必须对排气歧管进行优化。
　　从排气歧管的机构来看，在3、4缸结合部位过于尖锐，导致应力集中，从而使得此处存在断裂的风险，另外，在3缸附近接近排气出口的部位过渡也不够平缓，是导致此处温度较高的原因。因此，建议将这两处的过渡圆角加大，减小应力集中，如图5蓝线所示。
　　2. 优化方案结果分析
　　针对前面的分析，对优化后的模型再次进行分析，计算结果如图6、图7所示。从图中可以看到，优化后排气歧管的最高温度将为906℃，且高温面积大大减小；而塑性变形更是降为0.011，控制在0.02的评价标准以内。优化效果明显，减小了排气歧管出现断裂的风险。
　　结语
　　本文采用热固耦合的方法对某排气歧管进行优化后，歧管塑性变形大大降低，低于评价标准，满足设计要求。
　　

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针对该排气歧管，经过热固耦合分析，发现其结合部位存在热负荷问题导致塑性变形超标。对此，已进行优化调整结构，降低塑性变形并满足设计要求。排气歧管是发动机重要部分，涉及排气效率与安全性能。随发动机强化提升，排气温度上升，歧管热负荷问题愈发凸显，需深入研究。本文所采用的热固耦合分析方法能有效评估歧管热负荷状况，为结构优化提供数据支持。建议后续继续采用此方法并关注材料性能，以确保排气歧管性能可靠、寿命长久。

针对某排气歧管热负荷分析，采用热固耦合方法对其温度场及热应变进行了深入研究，发现三、四缸结合部存在较大的塑性变形。针对这一问题，对排气歧管结构进行了优化，显著降低了塑性变形，满足了设计要求。

排气歧管是发动机重要部件，承受高温环境，材料选择需具备优良的耐高温性能。随着发动机性能提升，排气温度不断上升，对排气歧管的热负荷研究至关重要。深入研究其热特性，有助于优化排气歧管设计，提高发动机性能，减少热裂纹等故障发生。未来，我们将继续探索更先进的热负荷分析技术，确保排气歧管在极端环境下的可靠性。