一種排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種發(fā)動機排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為發(fā)動機在數(shù)字化模型階段對發(fā)動機排氣歧管機械性能和結(jié)構(gòu)可靠性方面進行虛擬仿真。該方法用有限元方法對發(fā)動機排氣歧管溫度場與應力場進行求解計算，得到發(fā)動機排氣歧管的溫度分布、應力分布、應變分布，螺柱力矩變化、排氣歧管法蘭面密封壓力，從而能更好的對發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)進行設計。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，具體涉及一種發(fā)動機排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法。
技術(shù)介紹
發(fā)動機排氣系統(tǒng)對發(fā)動機整體性能有舉足輕重的作用，排氣歧管連接缸蓋排氣道與排氣系統(tǒng)，負責及時暢通地把發(fā)動機的高溫排氣傳遞給后續(xù)的排氣系統(tǒng)，長期承受高溫氣體的侵蝕，其工作環(huán)境相當惡劣。排氣歧管的溫度大小及分布對其熱應力，熱應變有著非常重要的影響，進而影響其工作可靠性。快速準確的對其進行溫度場計算分析，通過熱應力，熱應變的計算，找出排氣歧管可能出現(xiàn)熱裂的區(qū)域，對排氣歧管結(jié)構(gòu)設計及材料選擇有·著重要的意義，不僅降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，也很大程度上縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，采用本文所述的排氣歧管有限元分析方法后，就能利用計算機的強大功能，對排氣歧管溫度場、應力場進行求解計算。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種發(fā)動機排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為發(fā)動機在數(shù)字化模型階段對發(fā)動機排氣歧管機械性能和結(jié)構(gòu)可靠性方面進行虛擬仿真。該方法用有限元方法對發(fā)動機排氣歧管溫度場與應力場進行求解計算，得到發(fā)動機排氣歧管的溫度分布、應力分布、應變分布，螺柱力矩變化、排氣歧管法蘭面密封壓力，從而能更好的對發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)進行設計。一維熱力學boost計算，邊界條件(進口流量，溫度；出口壓力，溫度)；根據(jù)一維熱力學計算得到的邊界，計算工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)壁面的溫度及對流換熱系數(shù)；劃分有限元網(wǎng)格；燃氣壁面使用估計值來計算初步排氣歧管溫度場分布，然后將計算溫度值賦給燃氣壁面再次計算排氣歧管溫度場，依次循環(huán)計算直至溫度場趨于穩(wěn)定；根據(jù)溫度場計算結(jié)果，求解排氣歧管的密封性、等效塑性應變分布及螺栓預緊力矩的變化率；結(jié)果評價不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)。具體技術(shù)方案如下，采用如下步驟( I)計算額定工況下排氣歧管進出口處邊界條件；(2)根據(jù)步驟(I)中計算得到的邊界，計算一工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)流場，得到歧管內(nèi)壁面的溫度及對流換熱系數(shù)；(3)根據(jù)排氣歧管裝配模型劃分有限元網(wǎng)格(4)計算排氣歧管溫度場分布；(5)根據(jù)溫度場計算結(jié)果，求解排氣歧管由冷態(tài)裝配、工作溫度、降溫形成的試驗周期內(nèi)排氣歧管的密封性、等效塑性應變分布及螺栓預緊力矩的變化率。進一步地,進一步包括如下步驟(6)對結(jié)果進行評價；(7)進一步優(yōu)化排氣歧管結(jié)構(gòu)。進一步地，步驟(4)具體為加入由CFD計算出的歧管內(nèi)流場邊界與近似經(jīng)驗邊界計算整機溫度場部分缸蓋加入燃燒邊界與冷卻液邊界，將歧管內(nèi)流場的溫度換熱系數(shù)映射到歧管內(nèi)與流場接觸表面，歧管與部分缸蓋外壁面與外流場氣體之間存在對流換熱與熱輻射，加入經(jīng)驗值的溫度與換熱系數(shù)，熱輻射系數(shù)與溫度，流體場與排氣歧管結(jié)構(gòu)場耦合計算求解排氣歧管結(jié)構(gòu)溫度場。進一步地，步驟(I)中所述邊界條件為進口流量，溫度，出口壓力以及溫度。進一步地，步驟(I)中采用一維熱力學boost進行計算，步驟(2)中采用3維CFD(Fire)進行計算。進一步地，步驟(4)計算排氣歧管溫度場分布包括部分缸蓋加入燃燒邊界、冷卻·液及油路邊界；歧管外壁面及部分缸蓋外壁面加入外流場邊界；歧管外壁面與外流場熱輻射邊界；發(fā)動機一工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)流場溫度及對流換熱系數(shù)均值。進一步地，步驟的(5)中，具體包括計算排氣歧管外壁面與外流場的熱輻射；在歧管內(nèi)流場熱邊界計算中，燃氣壁面先使用經(jīng)驗值來計算初步的排氣歧管溫度場分布，然后將計算的壁面溫度值賦給燃氣壁面再次計算排氣歧管溫度場，依次循環(huán)計算直至溫度場穩(wěn)定。進一步地，步驟(6)中具體包括按照試驗周期內(nèi)形成的工況計算，并按照等效塑性應變評判排氣歧管可能出現(xiàn)熱裂的部位。進一步地，步驟(3)中進一步包括建立有限元模型，采用二階四面體單元進行網(wǎng)格劃分；CFD計算燃燒邊界和壁面冷卻液邊界；對整機進行有限元網(wǎng)格劃分，采用二階四面體單元，盡量保證離散模型與連續(xù)模型的貼合度。進一步地，步驟(6)對排氣歧管熱機械強度分析結(jié)果評價具體包括排氣歧管溫度場、冷/熱態(tài)下排氣歧管法蘭面密封性、螺栓預緊力變化、等效塑性應變；根據(jù)經(jīng)驗值對相應結(jié)果進行評價。其中，建立有限元模型加入計算邊界耦合求解，具體包括采用二階四面體網(wǎng)格建模，關鍵部位如歧管易發(fā)生熱裂區(qū)域、歧管墊片密封筋處，網(wǎng)格需細化，歧管處網(wǎng)格盡量保證與連續(xù)模型的一致性；部分缸蓋加入燃燒邊界與冷卻液邊界，將歧管內(nèi)流場的溫度換熱系數(shù)映射到歧管內(nèi)與流場接觸表面，歧管與部分缸蓋外壁面與外流場氣體之間存在對流換熱與熱福射，加入經(jīng)驗值的溫度與換熱系數(shù)，熱輻射系數(shù)與溫度，求得排氣歧管溫度場。加入裝配載荷求解冷態(tài)應力分布；將求得的冷態(tài)應力場與溫度場耦合求得熱應力及變形；將耦合溫度場降低至室溫。根據(jù)試驗工況組合如上三種工況因排氣歧管承受高溫載荷，單次循環(huán)中載荷強度較大，循環(huán)周期相對較短，采用低周疲勞進行評判，計算結(jié)果中關注等效塑性應變。對排氣歧管熱機械強度分析結(jié)果評價，具體包括排氣歧管溫度場、冷/熱態(tài)下排氣歧管法蘭面密封性、螺栓預緊力變化、等效塑性應變。根據(jù)經(jīng)驗值對相應結(jié)果進行評價。與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本專利技術(shù)中的技術(shù)方案，大大的縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，在樣件的試制以前，可以在虛擬環(huán)境中分析發(fā)動機排氣歧管的可靠性能，提高了開發(fā)效率，節(jié)省大量的試驗成本，為發(fā)動機排氣歧管的設計指明了方向。并且提高溫度場計算與熱變形計算精確度，更高效準確地進行結(jié)構(gòu)計算與優(yōu)化，滿足發(fā)動機日益縮短的開發(fā)周期需求，節(jié)省研發(fā)費用；排氣歧管溫度場經(jīng)過多輪循環(huán)計算提高了溫度計算精度，使溫度場結(jié)果更吻合實際工況，從而可以更精確對排氣歧管在熱變形下的塑性應變與密封性進行評估，指導排氣歧管開發(fā)。附圖說明圖I是實施例中排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法的流程圖；圖2是實施例中排氣歧管內(nèi)流場循環(huán)計算的流程流程圖。具體實施方式·下面根據(jù)附圖對本專利技術(shù)進行詳細描述，其為本專利技術(shù)多種實施方式中的一種優(yōu)選實施例。排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法，包括如下步驟步驟a :—維熱力學boost計算得到額定工況下排氣歧管進出口處邊界條件(進口流量，溫度；出口壓力，溫度)步驟b :根據(jù)一維熱力學計算得到的邊界，由3維CFD (Fire)計算一工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)流場，得到歧管內(nèi)壁面的溫度及對流換熱系數(shù)。步驟c :根據(jù)排氣歧管裝配模型劃分有限元網(wǎng)格步驟d :計算排氣歧管溫度場分布部分缸蓋加入燃燒邊界、冷卻液及油路邊界(經(jīng)驗值)；歧管外壁面及部分缸蓋外壁面加入外流場邊界；歧管外壁面與外流場熱輻射邊界(經(jīng)驗值)；發(fā)動機一工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)流場溫度及對流換熱系數(shù)均值。步驟d :根據(jù)溫度場計算結(jié)果，求解排氣歧管由冷態(tài)裝配、工作溫度、降溫形成的試驗周期內(nèi)排氣歧管的密封性、等效塑性應變分布及螺栓預緊力矩的變化率。步驟e :結(jié)果評價不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)。步驟的d中，具體包括關注排氣歧管外壁面與外流場的熱輻射。在歧管內(nèi)流場熱邊界計算中，燃氣壁面先使用經(jīng)驗值來計算初步的排氣歧管溫度場分布，然后將計算的壁面溫度值賦給燃氣壁面再次計算排氣歧管溫度場，依次循環(huán)計算直至溫度場穩(wěn)定。步驟e中，具體包括按照試驗周期內(nèi)形成的工況計算，并按照等效塑性應變評判排氣歧管可能出現(xiàn)熱裂的部位。另外優(yōu)選實施例排氣歧管熱機械強度的有限兀分析方法步驟001 :—維熱力學計算額定轉(zhuǎn)速下排氣歧管進出氣口瞬態(tài)邊界條件，包含進口流量溫度，出口壓力和本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種排氣歧管熱機械強度的有限元分析方法，其特征在于，采用如下步驟：（1）計算額定工況下排氣歧管進出口處邊界條件；（2）根據(jù)步驟（1）中計算得到的邊界，計算一工作循環(huán)下排氣歧管內(nèi)流場，得到歧管內(nèi)壁面的溫度及對流換熱系數(shù)；（3）根據(jù)排氣歧管裝配模型劃分有限元網(wǎng)格（4）計算排氣歧管溫度場分布；（5）根據(jù)溫度場計算結(jié)果，求解排氣歧管由冷態(tài)裝配、工作溫度、降溫形成的試驗周期內(nèi)排氣歧管的密封性、等效塑性應變分布及螺栓預緊力矩的變化率。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周君，王成，陳馨，
申請(專利權(quán))人：奇瑞汽車股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：