（机械制造及其自动化专业论文）发动机排气歧管开裂失效分析.pdf

摘要 摘要 排气歧管是将引擎各气缸排出的废气汇集到一起排出车外的重要部件，发 动机在燃烧过程中产生的废气从多个气缸内收集清洁( 经三元催化器) 消声， 然后引到车后排放。排气歧管安装在内燃机气缸盖上的个零件。其功能是将 每个汽缸燃烧的废气导入一个排气系统。此系统将去除燃气中的有害排放物， 避免它们随尾气进入大气环境。是发动机不可缺少的部件之一。 在实际应用中，不少发动机的排气歧管被发现有开裂的现象，有的是细微 开裂，有的是边界断裂，有的是片状开裂等等，这都影响到引擎的功率输出， 影响到整车的性能表现，对此情况，针对典型的开裂失效： 1 2 3 4 研究分析了排气歧管的典型结构形式及应用时需考虑的相关因素。 介绍了排气歧管设计优化的大致流程。 描述分析了排气歧管开裂失效的主要现象。 通过对开裂失效的排气歧管设计改型作为实例，对失效排气歧管的全过程 再设计进行追溯和分析，根据产品需求和外形，进行概念优化设计：建立 产品3 d 模型，对其进行参数化设计；分析每个参数的局部，设定最佳参 数值：利用有限元进行仿真：包括强度等有限元仿真，并根据结果对模型 作适当调整。 通过对开裂失效的排气歧管材料改型作为实例，对失效排气歧管材料进行 金像研究和分析，结合发动机实际工况下的运行温度，试从材料角度找出 其开裂失效原因。从而进行下一步材料替换的可行性研究。对不同的材料 从性能，价格，制造等方面进行比较选择。 制作快速成型模型验证装配，模拟发动机的实际工况和温度曲线，进行台 架实验，验证从结构和材料上的优化方案。 最后，简要讨论了进一步工作的方向。 关键词：排气歧管设计，材料，结构，有限元仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a ne x h a u s t m a n i f o l di sac o m p o n e n tm o u n t e dt oac y l i n d e rh e a do fa ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e i ti su s e dt oc o l l e c te x h a u s tg a s e sf r o me a c hc y l i n d e ra n dd i r e c t t h e mt oac o m m o ns y s t e m - w h e r e b yg a s e sa r ct r e a t e dt or e m o v eh a r m f u le m i s s i o n s b e f o r eb e i n gr e l e a s e df r o mt h ev e h i c l e i ti st h ev e r yi m p o r tp a r to f t h ee n g i n e e i na c t u a la p p l i c a t i o n ，t h ee x h a u s t m a n i f o l db ef o u n dc r a c kf a i l u r ei ns o m e v e h i c l e 朗百n e e ，s o m eo f t h ee x h a u s tm a n i f o l dh a v ew i s p yc r a c kf a i l u r e , s o m eo f t h e mh a v eb o u n d r yc r a c kf a i l u r e , s o m ea r es l i c ec r a c kf a i l u r ee x t ，a i lo f t h e s ef a i l u r e e f f e c tt h ee n g i n e ep e r f o r m a c e ，s of o rt h e s ee x h a u s t m a n i f o l db ef o u n dc r a c kf a i l u r e ： 1 n i sa r t i c l ei n t r o d u c e sb a s i ct y p e se x h a u s tm a n i f o l ds t r u c t u r e ，a n ds t u d y sf o c u s o nt h ee x h a u s t m a n i f o l dc r a c kf a i l u r ea p p l i c a t i o n 2 i n t r o d u c et h ee x h a u s tm a n i f o l do p t i m i z e dr e d e s i g np r o c e s s 3 d e s c r i p t i o nt h ee x h a u s tm a n i f o l dc r a c kf a i l u r ep h e n o m e n o n 4 b ya n a l y s i sa n dt r a c i n gw h o l ee x h a u s tm a n i f o l ds t r u c t u r er e d e s i g np r o c e s si nt h e p a r t sa p p l i c a t i o n ，i tg e t se x h a u s tm a n i f o l dr e d e s i g nm e t h o da n dp r o c e s s ：b a s e0 1 1 p r o d u c tr e q u i r e m e n ta n di t sg e o m e t r y , r e s e t e su pe x h a u s tm a n i f o l dc o n c e p t d e s i g n ；g e n e r a t e sd e t a i ld e s i g n ，a n dd e f i n ep a r a m e t e rf o rt h ep a r tm a i nf a c t o r s ； a n a l y z e sl o c a la n dg l o b a lp a r a m e t e rs e n s i t i v e ，g e t sar e l a t i o n s h i pb e t w e e n p a r a m e t e ra n dt h ep r o p e r t y ；d e f i n e sa s s e m b l yf o r c ea c c o r d i n gt oe r g o n o m i c s t h e o r y , d o e saf e as t a t i ca n a l y s i s ，t a k et h ea s s e m b l yf o r c et od e f i n ee x h a u s t m a n i f o l de n g a g ev o l u m e ；d o e saf e a d y n a m i c t os i m u l a t es t r e n g t ho f t h e e s e f e a t u r e s ，d o e ss o m ea d j u s t m e n ti fn e c e s s a r y 5 b ya n a l y s i sa n dt r a c i n gw h o l ee x h a u s tm a n i f o l dm a t e r i a lr e d e s i g np r o c e s si nt h e p a r t sa p p l i c a t i o n ，s t u d yt h ee x h a u s tm a n i f o l dc r a c kf a i l u r em a t e r i a lo nt h e c r y s t a l l o i dl e v e l ，c o m b i n e dw i t ht h er o o tc a u s eo ft h ef a i l u r e a n dn e x ts t e pt of i n d t h es u i t a b l yr e p l a c e dt h em a t e r i a l a b s t r a c t 6 f i n a l l y , d o e sap r o t o t y p es a m p l et ov e r i f ya s s e m b l y ri n t r o d u c e sp a r a m e t e rf o r e x h a u s t m a n i f o l dd e s i g n , o p t i m i z et h es t r u c t u r eb yp a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ， i ta l s og e t sr e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r a m e t e ra n ds p e c i f i cp r o p e r i t i e s ，w h i c h p r o v i d e sr o o tt oi m p r o v ea n dc h a n g ed e s i g n a tt h ee n d ，t h i sa r t i c l es i m p l yd i s c u s s e dn e x tv a l u a b l er e s e a r c hd i r e c t i o no nt h e 一 t o p i c k e yw o r d s ：e x h a u s tm a n i f o l dd e s i g n ，m a t e r i a l ，p a r a m e t e r , s t r u c t u r e ，f e a s i m u l a t i o n i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 一虢，p 彳 2 o 。) 年( ) 月涕 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 排气歧管是将引擎各气缸排出的废气汇集到一起排出车外的重要部件，发 动机在燃烧过程中产生的废气从多个气缸内收集清洁( 经三元催化器) 消声， 然后引到车后排放。原厂的排气系统由于要顾及成本，宁静度和各地不同的排 放标准等限制，在设计时都会非常保守，并在一定程度上因排放效率不高而限 制了发动机的性能表现。整个排气系统工作效率的高低就取决于排气歧管的设 计。排气歧管一般也是排气系统中最昂贵的部分( 可以上万元) ，因为对长度， 弧度和口径的严格要求，开发和制作成本很高。排气歧管的设计优良与否对整 套排气系统的吸啜效果有着举足轻重的影响。以四缸发动机为例，传统的概念 是，四根排气歧管直接汇总成一条排气管的管路设计会较适合高转速时的废气 波排出速率，有助于提升马力，而四出二出一( 两根排气歧管先汇总成一管， 再于另两歧管汇总成的一条排气管) 的设计则有利于低转速时的扭力输出，较 适合日常行车之用。 1 近年来，由于防止废气污染、噪声及提高燃油效率的需要，发动机气缸 的排气温度不断提高，以及因超载和路况等原因引起发动机超负荷运 行，导致排气歧管的热疲劳开裂时有发生。 2 现代的汽车为提高燃料燃烧效率而提高了发动机工作温度，结果使得排 气歧管的温度超过了7 5 0 度，并产生了一种新的热影响区开裂方式。 3 由于密集网状二次石墨沉淀、氧化环境以及热循环导致的循环应力的综 合作用，这种裂纹出现在沿着热影响区的熔合线上。这种现象已经被定 义为应力加速的氧化作用( s a o ) 。 4 当排气歧管装配到汽车发动机上，随着重复的发动机操作，马氏体将被 回火而且马氏体和渗碳体都会被溶解并重新作为二次石墨沉淀出来。二 次石墨越多产生s a o 裂纹的可能性越高。 5 对近些年不断出现的排气歧管开裂现象进行分析研究对提高发动机的 使用寿命有积极的意义。 第1 章引言 1 2 国内外研究现状 国内排气歧管材质基本上是灰铸铁、球墨铸铁或蠕墨铸铁。蠕墨铸铁有良 好的耐热疲劳性，因此很适于生产排气歧管。严格的化学成分控制和良好的蠕 化剂，是稳定生产蠕铁铸件的关键。排气歧管也是形状较复杂的薄壁铸件。多 为砂型铸造，也有采用消失模铸造的。以球墨铸铁材质的砂型铸造的排气歧管 为例。其造型与制：签过程与缸体造型、制芯工艺基本相同。但随着国家排放法 规的不断提高，及欧美标准的不断的升级，发动的排放废气温度越来越高，对排气 歧管从使用寿命，冲击噪音到外观要求也随之越来越高。从而提升整个引擎系 统的总体性能。 所以对发动机排气歧管的开裂断裂问题进行综合失效分析，并从材料、结 构方面提出改进意见。采用耐热、耐腐蚀性能好的材料且结构设计良好的排气 歧管是我们研究的方向之一。 材料优化：2 0 世纪8 0 至今，铸铁仍是当今金属材料中应用最为广泛的基础 材料，在铸造合金材料中占有重要地位。其中一些合金件和不锈钢材料成为最 近发展研究的方向，特种铸铁是指具有特殊使用性能的铸铁材料，主要包括抗 冲击铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。为了使铸铁具有这些特殊使用性能，需要 使铸铁有一定的组织。特种铸铁中既有非合金铸铁，也有低合金铸铁、中合金 铸铁和高合金铸铁。由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造 性能方面，与非合金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造 性能，而含有大量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程 中容易产生多种铸造缺陷，因此需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性， 采取适当的工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。从材料性能上防 止开裂的产生。 结构优化：随着经济建设的发展，工程设计人员需要有更系统、科学的设 计思想和方法，以达到提高产品开发效率、节约原材料、降低成本及提高产品 质量的目的。结构优化设计是实现这些目的的较佳手段。许多国际大公司都有 自己的r & d 研发中心，这些研发中心对产品的研发具有一套非常完善的开发体 系和控制方法，严格控制研发的费用与周期，他们采用先进的计算机软件系统 ( c a d c a e c a m ) ，结合有限元分析( f e a c f d ) 及模具快速成型技术( r p m ) ，以 及先进的设计方法( f m e a ，d c a ，s i xs i g m a ) 等，从结构上优化设计来降低整个捧 气歧管的热应力热疲劳从而防止开裂的产生。 2 第1 章引言 1 3 研究的内容及采取的方法 本论文主要研究排气歧管的具体应用设计，旨在得出产品设计的全过程流 程，以及每个流程中需要做的工作和注意事项。本论文将对结构进行参数化处 理，利用分析手段，得出设定参数的方法。 论文的结构如下： 第1 章概述排气歧管的应用、研究现状，并确定研究内容和技术路线 第2 章排气歧管的设计优化流程简介 第3 章分析排气歧管开裂的结构和材料上的可能的原因，提出解决方案 第4 章确定排气歧管再设计基本结构类型和材料选择，对排气歧管进行优 化验证及实验 第5 章结论与展望 采用的技术路线如图所示： 3 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 第2 章排气歧管设计优化流程简介 上章介绍了排气歧管的定义、分类、工业应用场合和国内外研究现状，并 阐述了本文的研究内容和研究路线。本章将结合文献，阐述排气歧管应用分类 基本结构类型及结构设计优化流程。 2 1 典型的排气歧管结构形式 排气歧管是连接发动机和排气系统的关建部件，直接承受发动机燃烧室 排放的高温气体，它的结构好坏直接影响发动机性能和排放。其典型的 结构类型有多支管连接排气歧管，涡轮排气歧管，催化转换器排气歧管。 简介如下。 多支管连接排气歧管是最基本的与发动机联接方式，在这种联接中，多 支管分别连接发动机两侧的燃烧室缸盖接口处，发动机燃烧的废气被集 聚到总管，从而被导入带催化器的排气总成中去。见图2 1 。 涡轮排气歧管是支管连接排气歧管的变种见图2 2 。涡轮机壳是涡轮增 压器的重要零件。见图2 3 。这种整体结构的涡轮排气歧管，是将排气 歧管与涡轮机壳设计在一起，形成的单一零件。欧洲汽车市场的小型汽 油与柴油发动机，需要紧凑的排气系统，同时又需要涡轮增压。涡轮增 压器在排气系统中位于排气歧管下游。发动机燃烧产生的高温废气，经 排气歧管流向涡轮机，推动涡轮机工作。高温废气在流过涡轮机时迅速 膨胀，推动与压缩机驱动轴相连的涡轮旋转。压缩机叶轮的旋转将冷空 气吸入压缩机并用高压注入进气管( 增压) 。由于涡轮增压器提高了进 气压力与密度，发动机在排量不变的情况下，能产生更大的动力，使得 汽车能选用更小、更轻的发动机。这不仅改善了汽车性能，而且还降低 了燃料消耗与排放。多大型涡轮增压器生产公司( 如三菱、博格瓦纳、 霍尼韦尔) 供应涡轮机壳。欧洲在使用涡轮增压的小型汽油及柴油发动 机上处于世界领先地位。由于石油价格的波动与即将进行的更高排放法 规立法修订，这类发动机或许会迅速被推广应用。这种合二为一的集成 产品，尤其适用于安装空间受到限制的车辆。它的另一个优点，是节省 4 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 了排气歧管与涡轮增压器的组装过程，同时还杜绝了零件之间可能产生 的泄漏。涡轮排气歧管还为优化捧气歧管设计、改善涡轮增压器性能提 供许多方便。 催化转换器捧气歧管是把催化转换器和普通排气歧管直接整合在一起 的一种连接歧管。见图2 4 。催化转换嚣也就是( “催化罐”) 是封装催 化剂载体的容器位于废气流过的位置。见图25 。催化齐j 载体周围包 裹着泡沫垫装入催化罐。载体上涂有具有催化功能的贵金属多孔涂层。 废气流过时，产生化学反应，减少有害排放物。为提高转化效率、同时 又能承受废气高温，催化剂载体是用陶瓷材料做成的、极薄的筛网结构 此零件极易破碎，需要有一个精准可靠的外壳，来保证其在长期使用中 不会被损坏。很多情况下，为缩短催化剂“点燃”时问，催化转换嚣直 接装在排气歧管上。排气歧管与催化转换器壳铸为一体。这一产品已用 在尼桑3 5 升v 6 发动机上。 摄。褐爨黔 图2l 多支管连接排气歧管 图22 涡轮捧气歧管 目23 涡轮机壳圈24 催化转换器捧气歧管 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 图25 催化转换器 2 2 捧气歧管应用时需考虑的因素 2 2 1 结构设计因素 在设计捧气歧管时有许多问题需要考虑。主要有空间因素、载荷因素、材 料因素、功能因素、安全因素和制造工艺等因素。 1 空间因素：除了零件本身完成功能和动作所需要的足够空间外，还需要 安装或拆卸时手或工具工作所需要的空间。 2 载荷因素：设计初期即要考虑工作载荷。工作载荷是指排气歧管接装配 体在使用过程中和从零件生产厂家运到装配地点过程中所受到的载荷。 工作载荷也包括质量载荷、操作载荷和冷热冲击载荷。 3 材料因素：材料因素是捧气歧管在设计和应用时重要因素之一。理论上， 材科是决定捧气歧管主要性能指标，如重量，耐久性，耐热性等的决定 因素。在实际应用中，排气歧管的结构也是影响其性能的突出因素好 的结构有效减轻零件重量，导气更顺畅，排气歧管表面温度明显降底， 振动噪音更小。 4 功能因素：排气歧管除了起到联接零件的作用外还有其他作用。排气歧 管是设计成对水、灰尘或者空气具有密封作用。在这种情况下需要。形 密封圈，其他捧气系统的零件装配起来起到密封作用。 5 安全系数：在计算设计应力极限时，应该使用推荐的安全系数。用于一 次性联接的零件，其材料有明显的_ 碰服点应该在屈服强度的基础上取 安全系数为1 5 。对于多次装拆情况如果材料有明显的屈服点，其安 第2 章排气歧管设计优化流程简介 全系数取2 5 。 对于由不存在明显屈服点的材料制成的零件，安全系数取2 。如果用同样的 材料进行多次装配，推荐安全系数取3 2 5 。 2 2 2 加工成型因素 在设计原形阶段，就需要对设计、模具和加工工艺范围等进行调整。在设 计时，不协调的壁厚、加强筋形式的变化或其他一种装置的细微改变都会改变 计算结果。因此，在加工成型时应特别注意以下事项： 1 ) 调整模具参数，即找到浇铸参数的最佳点以获得最好的制品。这些控 制参数包括结晶型材料的结晶度、保压时间、浇铸速度、冷却等。 2 ) 尽管精密的排气歧管要求较高，但是在许多领域，对它们的需求量特 别大，应当避免设计时过分依赖于关键尺寸，亦应避免设计过高的公 差。成型总要面临材料的收缩问题，更换材料将因收缩率的不同而导 致产品尺寸不符合要求。最合适的排气歧管只有通盘考虑设计、加工 和工艺才能获得。 3 ) 如果在绘制排气歧管零件图时就绘出浇口的位置和型式、分模线的位 置以及零部件的全部公差，那么生产效率和产品质量会大大提高。在 设计时，应尽量避开尖角附近、凹陷记号处、零件的浇口或者熔接线 处，因为这些地方容易引起零件内部的应力集中。 2 2 3 装配因素 在设计初期首先要确定的内容是，将来装配是采用手工装配还是采用自动 化装配，但最好在设计所有零部件时考虑用机械手装配。因为机械手装配方式 简单，在这种考虑下设计出来的零件即便采用手工装配，也会很容易完成。 排气歧管的装配过程要求定位和推入都是三维的运动。按照空间移动考虑 装配过程，人的手或机械手必须能够拿到要装配的零件。在零件设计中，采用 一些特征件将有助于装配的顺利进行，能够采用的某些特征件如：导向件、止 动件、定位件、标记、支撑件等。详细介绍如下： 导向件通常分为两类： 1 ) 附加在零件设计中的结构特征，用于指导装配。当零件放到一起时，导 向件首先嵌入。这类导向件应易于操作，一旦安转完成，人或机器人没 7 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 必要再对它进行校准。在通常情况下，这些导向件被设计在支撑装置上， 而不是装配件的本身。 2 ) 导向机构已经体现在零件设计中，它们是倾斜角、半圆和间隙，以确保 当零件装配时能准确进入所需的位置。 定位件可以是销子或不同截面的凸起物，具有良好的刚性，因而能保证零 件间很好的定位。定位件可直接成型于元件体上，作为与元件壁相连的某个特 征，或者定位件是固定装置上的一部分。对于手工装配，建议定位件与零件合 二为一体；对于自动化装配，推荐使用固定装置上的定位件。定位件限制了装 配零件间在某个方向上的相互移动。 2 2 4 其他因素 标记的作用是指导装配，不同形式的搭扣结构，其安装、拆卸的方法各异， 在工厂安装时，可以通过操作规程指导操作人员完成。另外，将标记雕刻在模 具上，一般来说，不会提高制造成本。 在手工或自动化装配中，增加某些结构性能可加强质量的控制。这些性能 向操作人员或测试元件显示良好的装配已经完成。例如，到了锁定位置就发出 咔哒的声音，操作人员听到或机器检测到这个声音，知道这个接头联接到位。 装配完后还可以观察位置标记，但是，这种判断装配到位的方法只适用于人工 装配。声音和触觉被用于这样的检测，前提是人或机器能检测到零件忽然释放 的能量。 2 3 排气歧管设计优化流程简介 本节从以下几个方面进行介绍： 结构特征 材料选择 样件试作 台架测试 c a d m a g m as o f t c f d f e a 材料的选择& 测试和新材料的研制 手工样件和l a y o u t 检测 试验标准的选定和结果分析 8 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 2 3 1 结构特征 在确定排气歧管结构之前，对发动机的工况需要进行深入的了解，在通过 c f d f e a m a g m as o f t 的数值确认后，可对标准通用数模进行首轮计算优化。 1 ) c f d 边界参数： i g e o m e t r yt ob ei n c l u d e d ：周边零件的考虑，如涡轮增压 器，三元催化器，包括燃烧室出口数等来定意排气歧管 结构大体结构大小。 i i p o r o u sm e d i ac o e f f i c i e n t s ：确定a - l i n e a rc o e f f i c i e n t 和b - q u a d r a t i cc o e f f i c i e n t 参数值。 i i i 1 de n g i n ed a t a ：发动机参数如排气歧管出口或入口温 度，最高最低转速，整个燃烧室流量及流速，发动机静 态压力，发动机周围环境温度，流阻值等。 2 ) f e a 边界参数 i i n l e tf l a n g ef a s t e n e rd i a m e t e r t o r q u e ：进口法兰面的尺 寸和扭矩。 i i o u t l e tf l a n g ef a s t e n e rd i a m e t e r t o r q u e ：出口法兰面的尺 寸和扭矩。 i i i d u r a t i o no fh e a t i n g c o o l i n gs e g m e n t ：冷热交变的循环 值。 i v c o o l i n gm e t h o d e x t e r n a lf a n s ：冷却方式和外部风扇值。 v n u m b e ro f c y c l e s ：循环次数。 v i c o m p o n e n t si n c l u d e di nt h es i m u l a t i o n ：参与计算其他零 件如支架等。 v i i e x t e r n a ls t a t i c & d y n a m i cl o a d s ：外部动静态负载。 3 ) m a g m as o f t 边界参数 i p o u r v a l u e & t e m p e r a t u r e ：浇铸标准和温度。 i i p r o d u c t i o nv o l u m e ：模腔值。 1 1 1 i n o c u l a t i o nm e t h o d ：浇铸方式。 i v n u m b e ro fs o l v e s ：结果数值。 4 ) c a d 边界参数、 i i n p u to u t p u tt y p e f o r m a t ：数模格式。 9 第2 章捧气歧管设计优化流程简介 2 3 2 材料选择测试 在确定排气歧管c f d f e a m a g m as o f t 的数值之后，通过材料的测试排选， 可对数模进行第二轮计算优化。 1 材料的选择：根据要求可在现有材料库中选择。 2 材料的测试：材料的改型，成分变化来满足要求需进行测试。 i d u r a t i o no fh e a t i n g c o o l i n gs e g m e n t ：冷热交变的循环 值。 i i c o o l i n gm e t h o d e x t e r n a lf a n s ：冷却方式和外部风扇值。 i i i n u m b e ro f c y c l e s ：循环次数。 i v r u nt of a i l u r e & p a s td y n ot e s t s ：失效和通过台架实验的 条件。 v m a n i f o l da s s e m b l yi n s t r u c t i o n sa n dm a n i f o l ds u r f a c e t e m p s l o c a t i o n ：排气歧管装配条件和表面温度。 v i s a m p l et e m p e r a t u r ea n dl e a kt e s t ：样条温度和泄漏测 试。 3 新材料的研制：全新材料的研制需o e m 的具体要求而进行。 2 3 3 样件试作 在完成数模和仿真模拟后，根据要求提供手工样件和l a y o u t 质量检测 报告。 2 3 4 台架测试 台架测试根据不同o e m 的实验要求进行，其结果的判定标准也因o e m 而 定。 图2 6 介绍了排气歧管其设计优化流程。排气歧管一般在e e sd u r a b i l i t yt e s t 和o e mp e r f o r m a n c et e s t i n g 阶段出现失效开裂的可能性比较大。下一章将具体 分析排气歧管开裂典型案例。 1 0 第2 章排气歧管设计优化流程简介 茁。，参 譬删 歪二。旰潮 圈26 排气歧管的设计优化流程简图 蓠 可圉 第3 章捧气歧管开裂失效研究 第3 章排气歧管开裂失效研究 上章排气歧管应用分类及其基本结构类型及设计优化流程。本章将阐述举 饲介绍排气歧管结构材失效分析及相应的注意事项。 3 1 排气歧管失效现象描述 3 1 1 应用背景 捧气歧管的应用，取决于需要实现的功能井受制约于零件的外形，本论 通过追溯产品失散状况，从结构入手，分析排气歧管的应用环境和需要实现的 功能根据产品的实际情况确定排气歧管形式。在产品设计过程中探讨捧气歧 管在设计中需要考虑的因素和注意的问题，研究决定排气歧管功能的诸参数以 及如何设定、调整影响其诸参数值，为下一章重建物理模型和参数系统。 本案例为某o e m 厂商发动机t r a n s i t 23 l 排气歧管，开裂区域如图3l 到 31 2 所标示的裂纹，变形，位移，脆皮等等。 图3l 捧气歧管开裂意图 第3 章捧气歧管开裂失效研究 图32 捧气歧管开裂意图 图& 3 捧气歧管开裂意囤 第3 章捧气歧管开裂失效研究 图34 排气歧管开裂意图 图35 捧气歧管开裂意图 第3 章排气歧臂开裂失效研究 圈36 捧气歧管开裂意图 图37 排气歧管开裂意图 1 5 第3 章排气歧管开裂失效研究 3 1 2 功能要求： 本案例为某o e m 厂商发动机t r a n s i t2 3 l 排气歧管： ( 1 ) p r o g r a m t r a n s i t2 3 l ( 2 ) p a r tn o ：r f6 c l g 9 4 3 lc a ( 3 )j u l i a nd a t e ：3 0 8 4 ( 4 )m o u l di m p r e s s i o n ：w 1 p ( 5 ) p a r t h r s a p p r o x3 1 5 捧气歧管功能要求： s p e c i f i c a t i o n o e mc a s tm a n i f o l d s c a r s h o ts e g m e n t1 0 m i n c o l ds e g m e n t1 0 m i n f u l lc y c l ed u r a t i o n2 0 m i n t e s td u r a t i o n1 5 0h r sa n d4 5 0c y c l e s t y p i c a le g tt a r g e t9 0 0 瘢( 10 0m md o w n s t r e a mo fo u t l e t , o r2 5 m mi nf r o n to f c l o s ec o u p l e db r i c k ) c o m m e n t sf o r c e dc o o l i n g ( m o t o r i n gd y n o ) 0 e mc e t p ：0 3 01 一l - 3 01 e g tg a t h e r e df r o mc a p ef o r dc a t a l y s t t e m p e r a t u r e g u i d e l i n et e s t s 1 6 第3 章排气歧管开裂失效研究 3 2 捧气歧瞥失效分析 3 2 1 结构失技分析t 1 ) h e a tt r a n s f e r a n a l y s i s 热传导分析 臣要雪霍霍圈 翻38a 捧气歧管安装意图 畔1 7 备；i ；。= 喾兰擘到 l 】一1 8 霜矸 = 嚣 匿j 毫 一h d 目 ，i i j 匐- e e = j ! = - _ _ j 图38bc f d 边界参数输 再磊磊三e 墨雪雪焉i 年三商 t * - i ! i i 日t 一e e = 西：j 垂孽塞雾茎 # e ! ! j 一4 一 目= = n i i b r 产紫7 p 警。一一一1 图38cf e a 边界参数输入 这里包括冷热交变传导对流，热辐射重要部件接触面上的热传导。在进行 c d f ，f e a 的边界参数输入后，从结构变化上看：图3 9 到31 0 宏观上排气歧 管的法兰接触面都有不同程度的变形并产生滑移，各别位置还产生弯曲变形， 在图3 1 1 中，在氧传感器安装位置产生严重的热节，变形值达到1 0 6 7 m m ，对 于如此重要的装配位置j “生x 于y 方向上的形变会直接挤压氧传感器，造成其 失效是不可接受的。 第3 章排气歧管开裂失效研究 图39 排气歧管开裂意图 图31 0 排气歧管开裂意图 第3 章排气歧管开裂失教研究 圈31 1 排气歧管开裂意图 图31 2 排气歧管开裂意图 2 1t h e 珊a ls t r e s s a n a l y s i s 热麻力分析： 从图31 3 至31 4 上看，热的穿导集中在从排气歧管的喉部 4 法兰面和转 换器的接触面上热的分部不均衡，导致其红色区域变形失效。结构上不能很 好的散热，局布的热塑性应力达到0 0 6 4 一00 1 5 9 乘以l o # m p a 材料无法承受 第3 章捧气歧管开裂失效研究 高温开裂。 这里提出初步方案是： 1 1 提升喉部尺寸，使法兰和管身分离， 2 1 改善法兰面尺寸结构减少不必要的材料于厚度 。，霎鬻三二速。，上。2 麓艘慧写参 鋈遵篓 图31 3 排气歧管局布的热塑性应力意图 图31 4 排气歧管开裂意图 图31 4f e a 计算出的最大破坏点和实际零件失效切面的对比，两者非 常接近 第3 章排气歧管开裂失效研究 3 2 2 材料失效分析 首先进行零件的化学成份分析提取样品切片，光谱分析成分如下： c h e m i c a la n a l y s i so fn o d u l a rs i m oc a s ti r o nm a n i f o l d e l e m e n t羁俘 c 3 4 8 。s i3 7 6 m o0 9 7 m 8 o 0 3 0 m n0 3 6 s 0 0 0 3 p 0 0 0 9 对比下面材料图表，此排气歧管应为铁素体合金系列a 高硅钼材料， 这种材料能够承受的温度范围约在6 5 0 - 8 8 0 度左右，在排气歧管功能要求 里面，发动机出口瞬间最高温度可达9 0 0 度左右，以超过了材料耐温极限。 f e r r i t i cl f o i l $ 2 8 c 3 8 3 0 s i 4 8 u a s s t t i c 重l i o n r a p h i t en o d u i 5 5 0 e yp t i o o l ele t u p b r i t t l e n e s s m r 8 ) ( 1 a s s l l l c a t | o n 谚 a l l o y i n ge l e m e n t s 6 5 0 8 8 m a t e r l a il i s t c l = s s i f l a n t i o n sb y c a r b o nc o n t e n t s 6 4c o m b l n e t i o n 厶g s i c r m o a u s t e n i t i ci r o l l s 王s c 2 8 0 5 帕s s 鲁5 n l 9 5 拶c 矧譬ha l t o y 翻 n 洲t 9 ，口艺 2 1 s t a i n l e s ss t e e l s 0 1 0 ( c 0 6 0 7 j z o y e db y , n b 。1 1 ，v i z r n w ；m o s r e m 。 a u s t e n i t i cs s 8 蜊 2 2 1 2 0 0 c o 一 - 队一胁一眦一胁 队一一一眦一胁 鼐丢一 一 _ d 攀零瓣肾 郴一一一一一一嘲一一 。一一。一。一 催旧n孤曙争 第3 章排气歧管开裂失效研究 在图3 2 中，截取近进气法兰的管件材料断面s e c t i o n 撑l ，进行显微镜金象 成份分析，这里的温度达不到极端高温，且散热情况好，晶像成份如下表： q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so f a s - c a s t w a l ls t r u c t u r e n o d u l a r i t y 结核化晶体 8 9 2 g r a p h i t e 石墨 1 2 4 g r a p h i t ec o u n t 单位石墨 5 2 m m 2 f i n em o l y - r i c hp r e c i p i t a t ea n d9 1 p e a r l i t e 高钼化物的珠光体沉 p r i m a r yc a r b i d e s 主碳化物 2 第3 章捧气歧管开裂失效研究 盥31 5 断面s e e t i o n # i ( e t c h e d t a k e na t1 0 0 x ) 嗣31 6 断两s e c t i o n # i ( e l c h e d - t a k e na t5 0 0 x ) 2 3 第3 章排气歧管开裂失效研究 图3 1 5 和3 1 6 分别是i o o x 和5 0 0 x 下的材料晶像组织弥散的高度结 核化的石墨伴随着较低钼化物的珠光体沉淀和初始的碳化物珠光体含量 较低，大体小于1 - 2 ，在钼化物的珠光体沉淀区域，是相对稳定的碳化物， 在极度高温下要承受晶体粗化的过程，然而这一区域的材料即使在大于 7 3 0 度的温度下还是很缓慢的分解，在亚碳化物渗碳体磁化铁出现在珠光 体结构中时，这部分材料也不会被碳化”“”。 圈31 7 断面s e c t i o n # 2 ( e t c h e d - t a k e na t i o o x ) 雷31 8 断面s e c t i o n # 2 ( e t c h e d - t a k e na t 5 0 0 x ) 2 4 第3 章捧气歧管开裂失效研究 m 32 0 断面s e c t i o n 柱出气口发法兰面石墨化脱碳( e t c h e d - t a k e n 越i o o x ) 第3 章捧气歧管开裂失效研究 图32 1 断面s e c t i o n # 2 出气1 3 发法兰面石墨化脱碳( e t c h e d - t a k e na t1 0 0 x ) 图3 2 中，截取近出气法兰的管件材料断面s e c t i o n # 2 ，进行显微镜金 象成份分析，图31 7 - 3 1 9 中，石墨化情况恶化，钼化物沉淀区域晶体粗化 明显散开来排气歧管这部分发动机的循环峰值高温超过了材料的a e i 曲 线又经过高速冷却，在这种冷热交变下，图上呈现了石墨沉淀和非铁素 体沉淀( 未完全分结的珠光体和贝氏体) 。罔32 0 和3 2 i ，显示的是出气口 发法兰面石墨化脱碳石墨化是因为氧化节而失去了碳分子，沿表面的脱 碳是因为局部失去了淬性和硬性，在a c i 曲线上冷却下来形不成非铁素体 转换物，在a c l 曲线温度上石墨化脱碳率的提高源于机体碳元素的可溶性 的增加】。 国32 2 断面s e c t i o n 鹕表面开裂处晶像( e t c h e d t a k e n a tl o o x ) 图32 3 断面s e c t i o n # 4 表面开裂处晶像( e t c h e d - t a k e n a t i o o x ) 2 7 第3 章捧气歧管开囊失效研究 图3 2 2 和3 - 2 3 显示的是截面三和截面四的晶像组织，分别采样在捧 气歧管的上面和下面( 图3 3 和3 a ) 缺少石墨结构导致开裂，在失效区域一 沿着裂缝，金属温度不超过7 5 0 度，开裂情况明显嘲。 誊 ，j 图32 4 断面s e c t i o n 村( e t c h e d t a k e na t l 0 0 x ) 囤32 5 断面s e c t i o n 姻( e t c h e d - l a k e na t5 0 0 x ) ， p