[发明专利]一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机的排气系统，具体涉及一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法。

背景技术

发动机排气系统对发动机整体性能有举足轻重的作用，排气歧管连接缸盖排气道与排气系统，负责及时畅通地把发动机的高温排气传递给后续的排气系统，长期承受高温气体的侵蚀，其工作环境相当恶劣。排气歧管的温度大小及分布对其热应力，热应变有着非常重要的影响，进而影响其工作可靠性。快速准确的对其进行温度场计算分析，通过热应力，热应变的计算，找出排气歧管可能出现热裂的区域，对排气歧管结构设计及材料选择有着重要的意义，不仅降低了产品的开发成本，也很大程度上缩短了产品的开发周期，采用本文所述的排气歧管有限元分析方法后，就能利用计算机的强大功能，对排气歧管温度场、应力场进行求解计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法，缩短开发周期，降低开发成本，为发动机在数字化模型阶段对发动机排气歧管机械性能和结构可靠性方面进行虚拟仿真。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与应力场进行求解计算，得到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，螺柱力矩变化、排气歧管法兰面密封压力，从而能更好的对发动机排气歧管结构进行设计。

一维热力学boost计算，边界条件（进口流量，温度；出口压力，温度）；根据一维热力学计算得到的边界，计算工作循环下排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；划分有限元网格；燃气壁面使用估计值来计算初步排气歧管温度场分布，然后将计算温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场趋于稳定；根据温度场计算结果，求解排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率；结果评价不断优化结构。

具体技术方案如下：

一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法，采用如下步骤：

（1）计算额定工况下排气歧管进出口处边界条件；

（2）根据步骤（1）中计算得到的边界，计算一工作循环下排气歧管内流场，得到歧管内壁面的温度及对流换热系数；

（3）根据排气歧管装配模型划分有限元网格

（4）计算排气歧管温度场分布；

（5）根据温度场计算结果，求解排气歧管由冷态装配、工作温度、降温形成的试验周期内排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率。

进一步地，进一步包括如下步骤：

（6）对结果进行评价；

（7）进一步优化排气歧管结构。

进一步地，步骤（4）具体为：加入由CFD计算出的歧管内流场边界与近似经验边界计算整机温度场：部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，流体场与排气歧管结构场耦合计算求解排气歧管结构温度场。

进一步地，步骤（1）中所述边界条件为进口流量，温度，出口压力以及温度。

进一步地，步骤（1）中采用一维热力学boost进行计算，步骤（2）中采用3维CFD（Fire）进行计算。

进一步地，步骤（4）计算排气歧管温度场分布包括：部分缸盖加入燃烧边界、冷却液及油路边界；歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；歧管外壁面与外流场热辐射边界；发动机一工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。

进一步地，步骤的（5）中，具体包括：计算排气歧管外壁面与外流场的热辐射；在歧管内流场热边界计算中，燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定。

进一步地，步骤（6）中具体包括：按照试验周期内形成的工况计算，并按照等效塑性应变评判排气歧管可能出现热裂的部位。

进一步地，步骤（3）中进一步包括：建立有限元模型，采用二阶四面体单元进行网格划分；CFD计算燃烧边界和壁面冷却液边界；对整机进行有限元网格划分，采用二阶四面体单元，尽量保证离散模型与连续模型的贴合度。

进一步地，步骤（6）对排气歧管热机械强度分析结果评价具体包括：排气歧管温度场、冷/热态下排气歧管法兰面密封性、螺栓预紧力变化、等效塑性应变；根据经验值对相应结果进行评价。

其中，建立有限元模型加入计算边界耦合求解，具体包括：

采用二阶四面体网格建模，关键部位如歧管易发生热裂区域、歧管垫片密封筋处，网格需细化，歧管处网格尽量保证与连续模型的一致性；