abaqus在排氣歧管失效診斷研究中的應(yīng)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?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及NVH。Email:wangyanjun@AbaqusAbaqus在排氣歧管失效診斷研究中的應(yīng)用在排氣歧管失效診斷研究中的應(yīng)用王艷軍，崔權(quán)，鄔文睿，張小矛（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海201804）摘要摘要：針對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)部件的有限元模型，根

2、據(jù)排氣歧管裂紋試驗(yàn)規(guī)范模擬計(jì)算排氣歧管瞬態(tài)溫度場；隨后進(jìn)行排氣歧管的瞬態(tài)流固耦合分析，計(jì)算結(jié)果表明排氣歧管局部存在塑性應(yīng)變過大的情況，與裂紋試驗(yàn)中排氣歧管開裂位置吻合；經(jīng)過局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終解決了該排氣歧管的開裂問題。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：排氣歧管；失效；瞬態(tài)分析；塑性應(yīng)變ApplicationOfAbaqusInTheExhaustManifoldFailureDiagnoseWangYanjunCuiQuanWuWenruiZhangXia

3、omao(SAICMotTechnicalCenterShanghaiKeyLabatyofAutomobilePowertrainShangHai201804)Abstract:AccdingtothefailureofexhaustmanifoldintheenginedevelopmentsettingupFEAmodelusingAbaqusCAEsoftwaretosimulatetheexhaustmanifoldsyste

4、mtransienttemperaturenolinearFEAanalysisisappliedaccdingtoexhaustmanifoldcracktestthesimulationresultsshowsthatthePEEQofsomelocationsislargerthantheguidelinewhichhavegoodagreementwiththecracklocationsinthetesttheissueofe

5、xhaustmanifoldcrackhasbeensolvedfinallybymeansoflocalstructureoptimization.Keywd：ExhaustmanifoldFailureTransientanalysisPlasticstrain排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，工作環(huán)境溫度極高，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)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(shí)間內(nèi)升高到900℃，同時(shí)也可以快速冷卻

6、。因此，排氣歧管在工作過程中熱負(fù)荷高、散熱差、溫度梯度大、變化急劇，極易引起熱疲勞而導(dǎo)致開裂問題[12]。運(yùn)用Abaqus有限元中瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方法模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中排氣歧管的熱負(fù)荷變化情況，得到貼近實(shí)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(yīng)力計(jì)算中以便模擬排氣歧管在試驗(yàn)工況下的塑性變形情況和熱機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)的排氣

7、歧管彈塑性材料屬性，計(jì)算結(jié)果表明塑性變形是排氣歧管開裂的一個(gè)主要的原因；同時(shí)排氣歧管法蘭面的變形較大也會(huì)使墊片密封能力不足而導(dǎo)致漏氣，與裂紋試驗(yàn)中排氣歧管開裂及漏氣位置吻合。通過對(duì)結(jié)果的分析改進(jìn)，最終解決了排氣歧管開裂漏氣等復(fù)雜問題。排氣歧管開裂位置見圖1研究技術(shù)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(yīng)明顯，同時(shí)，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(jié)果排氣歧管

8、溫度場結(jié)果1.2.3溫度場試驗(yàn)驗(yàn)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(jié)果表明，測試值與計(jì)算值相近，認(rèn)為溫度場計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠，可用于后續(xù)的熱應(yīng)力分析，如圖8所示。圖8溫度場測試結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比溫度場測試結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比2瞬態(tài)流固耦合計(jì)算瞬態(tài)流固耦合計(jì)算2.12.1計(jì)算模型及邊界條件計(jì)算模型及邊界條件以熱傳導(dǎo)所得到的溫度場結(jié)果為邊界條件，插值應(yīng)力計(jì)算模型中，

9、疊加該模型中所受到的機(jī)械載荷，進(jìn)行流固耦合計(jì)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(yīng)變矩陣，為總體載荷矩陣，為節(jié)??B??Rt???點(diǎn)應(yīng)力矩陣。圖9為流固耦合計(jì)算模型，包括缸蓋、排氣歧管、渦輪增壓器蝸殼、三個(gè)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(jì)算共分三步，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步固定螺栓長度，第三步按照?qǐng)D10循環(huán)工況進(jìn)行三個(gè)冷熱循環(huán)計(jì)算。由于流固耦合計(jì)算隨著第四個(gè)冷熱循環(huán)的增加，塑性應(yīng)變趨于穩(wěn)定，故均衡計(jì)算成本與計(jì)算精度兩方面，進(jìn)行三個(gè)冷熱循環(huán)計(jì)算即可滿足模擬實(shí)際排氣歧管工作情況的要求。圖9流固耦合計(jì)算模型流固耦合計(jì)算模型圖10FEA流固耦合計(jì)算循環(huán)工況流固耦合計(jì)算循環(huán)工況2.22.2流固耦合