（光学工程专业论文）汽油机不锈钢排气歧管的热负荷分析与优化.pdf

武汉理工人学硕十学位论文 摘要 发动机排气歧管是发动机排气系统的关键部件之一，其工作状况直接影响 到发动机的动力性能，同时对发动机的工作可靠性和使用耐久性也有一定影响， 发动机运行时排气温度较高会使排气歧管产生较大热应力和热变形，同时由于 发动机振动和运行工况变化的影响使排气歧管容易因热疲劳而断裂。随着汽车 轻量化的成为趋势以及发动机增压带来的排气温度升高，不锈钢排气歧管已被 广泛应用与汽油机中。因此本文对汽油机不锈钢排气歧管进行热负荷的研究具 有重要的工程应用价值。 本文对某汽油机不锈钢排气歧管的气流流通性能、热应力、热模态、热塑 性等性能进行数值模拟分析，结合仿真结果对排气歧管的结构进行优化设计使 其达到产品性能要求。 首先通过流场分析建立数学模型，结合流体动力学中理论知识，利用 s t a r c c m + 仿真软件对排气歧管在发动机全工况的情况下不同缸开启时的流场 进行分析，分别得到压力分布和流线分布情况。为解决歧管内流动阻力较大， 以及管内有明显的涡旋效应，提出优化方案以提高各缸流量均匀性、降低流动 阻力和管内漩涡以及减小能量损失。 其次采用流固耦合的方法，计算出排气歧管内部流体和固体之间的共轭换 热系数，同时施加外部热边界条件来求解固体结构的温度场、应力分布以及， y ，z 三个方向的热变形等，求得最大应力集中部位和三个方向上最大热变形的 位置为优化提供参考。 然后基于获得的传热边界条件，在有限元a b a q u s 软件中计算热塑性、热 模态。分别计算自由状态下的排气歧管热模态与端面受约束状态下的热模态， 考虑各种安装约束对排气歧管振动的影响以及如何合理的施加歧管排气口安装 座与法兰盘之间约束。 最后对排气歧管的结构进行优化设计，结合压力场、速度场、温度场、热 应力场、热模态、热塑性等多种影响因子进行求解加权最优结构，并将优化后 的结构与原模型进行对比，证明优化后的模型的确在综合性能上有很大的提高， 基本上达到企业生产的要求。 关键词：排气歧管；热模态分析；热应力；热负荷 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee n g i n ee x h a u s tm a n i f o l di so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ee n g i n ee x h a u s t s y s t e m ，i td i r e c t l yr e l a t e dt oe n g i n eo fr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y , w h i l ei td i r e c t l y i m p a c t e do nt h ee m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o o p t i m i z i n gd e s i g no ni t ss t r u c t u r e c u r r e n t l y , o w i n gt ot h ei r r a t i o n a ls t r u c t u r ea n d m a t e r i a l sc a u s en o n - u n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ee x h a u s tm a n i f o l d ，a r o u s e t h ee x h a u s tm a n i f o l dt h e r m a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ev i b r a t i o n o fr u n n i n ge n g i n ea n dt h eh e a tl o a dc y c l eo fc o m p l e xf a c t o r sa r et h ec o r er e a s o n so f t h ee x h a u s tm a n i f o l dc r a c k i n g t h ea r t i c l ei sb a s e do nt h e s ei s s u e s ，t od e p t ha n a l y s i s t h ee x h a u s tm a n i f o l do ft h ef l o wf i e l da n a l y s i s ，t h e r m a ls t r e s st h e r m a lm o d a l t h e r m o p l a s t i c jc o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o nm o d e lt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h e e x h a u s tm a n i f o l ds oa st oa c h i e v es a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e f i r s t l y , b u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sw i t ht h ef l o wf i e l da n a l y s i sc o m b i n e d 、析t ht h e t h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo ff l u i dd y n a m i c s m a k i n gu s eo fs t a r - c c m + s i m u l a t i o ns o f t w a r et oa n a l y s i st h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n ds t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o n m a po nt h em a n i f o l de x h a u s tm a n i f o l d t os o l v et h em a n i f o l d f l o wr e s i s t a n c e ，a sw e l l a st h ee f f e c to ft h ev o r t e xt u b e ，t op r o v i d eo p t i m i z a t i o np r o g r a mt or e a l i z ee a c h c y l i n d e rf l o wu n i f o r m i t y , r e d u c ef l o wr e s i s t a n c ea n dt u b ew h i r l p o o l ，a sw e l la sr e d u c e t h ee n e r g yl o s s s e c o n d l y , a d o p t i n gt h ef l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r e f i e l db e t w e e nt h ee x h a u s tm a n i f o l do ft h ei n t e m a lf l u i da n ds o l i dc o n j u g a t eh e a t t r a n s f e r , a tt h es a m et i m ei m p o s e dt h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n st os o l v et h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ed i r e c t i o no ft h ex ，ya n dzo ft h e t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，t os e e kt h el o c a t i o no fm a x i m u ms t r e s sc o n c e n t r a t i o na n d t h e r m a ld e f o r m a t i o ni nt h r e ed i r e c t i o n sf o ro p t i m i z i n g t h e nc o m b i n e ds t a r - c c m + a n da b a q u ss i m u l a t i o ns o f t w a r et or e a l i z ed a t a t r a n s f e ra n ds e a m l e s si n t e g r a t i o n , t os o l v et h ej o i n ts i m u l a t i o no ft h e r m o p l a s t i c ， t h e r m a lm o d e s t h em o d a lm o d e lo ft h ee x h a u s tm a n i f o l dh e a ti nt h ef r e es t a t ea n d t h es t a t et ob eb o u n du n d e rt h eh o tm o d a lo r d e rt h e r m a lm o d e so fn a t u r a l 丘e q u e n c y 武汉理丁大学硕十学位论文 i n d e p t ha n a l y s i st oc a l c u l a t et h ec o n s t r a i n ta m o n gav a r i e t yo fm o u n t i n gc o n s t r a i n t s o nt h ev i b r a t i o no ft h ee x h a u s tm a n i f o l d ，a n dr e a s o n a b l e i m p o s e d m a n i f o l d c o n s t r a i n t so ne x h a u s tp o r tm o u n tf l a n g e a tt h es a mt i m e ，t h es e l e c t i o no ft h e m a t e r i a lt oc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs t r a i nr a t ev a r i a t i o nw i t ht e m p e r a t u r e ，g i v e nt h e t r e n do fc h a n g e si nt h es t e e lg r a i nb o u n d a r i e si nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，t ov e r i f y t h em a t e r i a lr e a s o n a b l y f i n a l l y , t oo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ee x h a u s tm a n i f o l d ，c o m b i n e dw i t ht h e p r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h e r m a ls t r e s sf i e l d ，t h e r m a l ， m o d a l ，t h e r m o p l a s t i ca n do t h e rf a c t o r st od e s i g nw e i g h t e do p t i m a ls t r u c t u r e ，a n d c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm o d e li no r d e rt ov e r i f yt h eo p t i m i z a t i o nm o d e li si n d e e d g r e a t l yi m p r o v e di nt h ec o n s o l i d a t e dp e r f o r m a n c e ，a n dt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n t so f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：e x h a u s tm a n i f o l d 。s o l i d - f l u i dc o u p l i n g it e m p e r a t u r ef i e l d 。t h e r m a l s t r e s s 武汉理工人学硕- j j 学位论文 1 1 研究课题的背景和意义 第1 章绪论 排气歧管是目前应用最为广泛的汽车尾气处理的装置，能够有效的减少汽 车尾气排放中的有害物质【1 l 。人们已经对环境污染问题提高警惕，控制汽车排放 污染物的相关法规政策越来越严格，这就要求歧管在结构上更应该优化设计。 由于歧管长期使用在温度为6 0 0 7 5 0 环境下，并因长期在常温与高温直接的激 冷交变状态下，承受涡轮增压器质量和自身质量以及发动机工作时的振动，使 得工作环境极其恶劣。近些年由于对于废气污染、噪声的严格控制及对燃油价 格的不断增长，为提高发动机工作效率使得排气温度也在不断升高，而现今超 载等原因同样导致发动机过负荷运行，其零部件的热负荷也不断增大，这些问 题都将导致排气歧管应力集中、疲劳开裂等，为此对排气歧管的设计是迫在眉 急。具体来看排气歧管的疲劳损伤有多种因素产生( 振动负荷、热负荷、气流 冲击、材料性能变化等) 互相影响、耦合导致。以及发动机是一个极非线性化 的运行机械，经常处于突发性极强的工况下，采用传统的数模模型很难进行精 确的描述，本文正是将模型简化提炼出重要的影响因子进行有限元分析。 排气歧管内的气流特性非常复剁2 捌。而气流特性直接影响到三效催化反应、 温度分布和排气背压。这就需要了解其内部的流动特性，从而对它的结构设计 优化进行指导。因此排气歧管的流场研究与分析已成为开发排气歧管的重要内 容之j 刖。 排气歧管热负荷效应是整个设计过程中需考虑的重要因素，其不光影响着 排气系统的工作可靠性问题，而且对于发动机的运行状况也有很大的影响。为 此在当今发展状况下，对于发动机排气系统的分析仅仅考虑受热部件是远远不 够。 热负荷研究常常是实用结构件的最高温度，在结构件上的不同位置的温度 梯度及其在这个部位的热应力，部件承受不同频率的热疲劳及热应变来评定。 在这里根据某型号的排气歧管为例子进行研究。此排气歧管是机械性能高于球 墨铸铁的不锈钢。而且在新的优化设计中有内流口和三元催化转化器的螺孔， 这样对于内腔的形状的复杂性就有所提高l 引。本文研究的不锈钢排气歧管无论从 武汉理t 大学硕士学位论文 环保角度和技术上都是代表着国际上的先进水平。热负荷的研究是很重要的， 因为本课题研究的排气歧管在工作时出现了高热应力的集中，热负荷分析可以 找到应力集中部位，经行评估然后进行优化。 不锈钢由于在强度上与铸铁相比较差，而应用于排气歧管时容易发生振动， 且在高温下其刚度会大大变小，为此需要进行热模态分析来提高不锈钢在排气 歧管中应用的价值与前景【6 j 。 c a e ( 计算机辅助工程) 技术为排气歧管的结构优化设计提供了有效方法。 c a e 技术是采用虚拟分析方法对结构的性能进行模拟、仿真、预测结构性能，优 化结构设计，为产品研发提供指南。为了满足严苛的排放标准，要求排气歧管 具备以下条件：高的转化效率、长的使用寿命、良好的起燃特性和流动特性。 受发动机动态排气和歧管复杂结构的影响，目前排气歧管主要有以下几种结构： 歧管式、紧耦合式以及增压器耦合式，它们的共同特点是其安装位置靠近发动 机的排气口，是主要受热元件，使其热负载大，应力集中。歧管式的是直接焊 接合成，相比其他类型的排气歧管其热损失小，同时气体在排气歧管内部的流 动特性远比其他形式的排气歧管复杂，因此该种排气歧管结构各部分的受热状 况也极为复杂，由于长期工作在高温环境中，歧管式某些部位易出现开裂等状 况，如图1 1 所示。 图i - 1 排气歧管损伤开裂图片 对排气歧管的进行温度场与热应力分析，通过仿真结果得到结构易发生破 坏处，并提出改进与优化措施，从而提高了结构的可靠性与设计效率。部分歧 管的歧管壳体是由冲压件焊接而成，而歧管壳体形状由复杂的曲面构成，在成 形中容易出现拉裂、起皱等现象【7 】。传统方法凭借长期积累的经验来寻求模具成 形的最佳参数，试验过程中需要反复冲压或者试模，开发一个新产品会需要很 多的时间和生产费用，并且并不能保证产品的质量。 近年来，随着计算机技术和c f d 的快速发展，国内外采用数值模拟的方法 2 武汉理丁大学硕士学位论文 来研究排气歧管的流场速度分布、压力损失、起燃特性和转化效率越来越普遍， 这为排气歧管的优化提供了指导，在一定程度上也减少了实验工作量并缩短了 设计周剃剐。 以前在歧管的设计时，首先是将初步的设计方案构建模型进行分析，得到 的仿真结果通过台架试验反复的来修正和调整，而这种方法试验费用高，开发 周期长，一般设计成型后修改设计模型的难度大。现在随着计算机的普遍应用， 开发流程是通过三维造型软件建模，其疲劳分析通过有限元分析法进行分析验 证，在进行耐久性仿真实验时，找到薄弱环节，提出改进方案，从而大幅度降 低疲劳试验成本，使排气歧管的设计水平上升到寿命定量设计。 1 2 国内外研究现状 国外研究排气歧管的流动比较早，开始于上世纪7 0 年代初，其早期主要 通过试验的方法来研究催化器的阻力和流速分布不均匀性。通过试验得到的数 据是非常有限的，只能测量入出口处的某个点、面，所以对排气歧管结构的设 计和优化没有全面的指导。社会在进步，时代在发展，计算机技术发展迅速， 流体动力学( c f d ) 理论也随之逐步完善。9 0 年代以后，数值模拟的方法运用 到流场分析中，人们应用c f d 软件对排气歧管进行流场分析，研究其起燃特性、 压力损失、流速分布和转化效率等，数值模拟同趋活跃【9 】。开发产品时，可以先 模拟再结合试验，缩短了设计周期，也减少了试验的工作量，而且模拟结果可 以更好的指导排气歧管结构的优化设计。 国内主要集中在对常规排气歧管的流场分析上，对歧管式的流场分析并不 深入。而事实上，排气歧管由于其结构的复杂性以及所处位置的特殊性，它的 内部流动特性对其性能有着很大的影响【1 0 j 。另外国内对不锈钢排气歧管在冷启 动温度场上的研究涉及的少，并且热负荷的研究也刚刚起步，绝大部分集中在 对歧管热应力的研究。本文针对性的解决排气歧管的热属性问题，针对性的对 其进行热模态和热塑性的研究，如下提出几种理论方法。 数值模拟的排气歧管优化策略，提出的该优化策略仅对排气歧管结构问题 导致的明显排温差异的优化是有效的，但不适用于较大温差的情况。利用一维 发动机循环模拟结合三维c f d 技术是发动机结构优化的有用工具，优化后的排 气歧管加大了出口接管弯曲部分流通面积，改善了排气均匀【1 1 1 。并提出了以一 3 武汉理工人学硕士学位论文 维和三维数值模拟为平台的排气歧管优化策略。本课题利用一维和三维数值模 拟的方法来分析汽车在冷启动的情况下，不锈钢排气歧管的温度曲线，进而评 估汽车冷启动时三元催化器的利用，优化设计不锈钢排气歧管降低排放【1 。 排气歧管的冷模态分析方法，是通过外激振频率寻求排气歧管的共振频率， 使得共振频率点避开发动机长期转速范围，然而排气歧管在高温下工作，所以 本文中分析了排气歧管的热模态，考虑外激振频率，设计合理安装方式来确保 排气歧管不发生共振，改善排气歧管的振动模态。歧管的安装约束与温度不仅 严重影响着热变形，同样影响着歧管的疲劳寿命。为此在歧管运行状态下，尽 可能避免歧管约束结合部安装座，并提供更好的散热方式【1 2 j 。 基于内燃机流固耦合传热问题，提出了不同的流动与传热耦合的特点，并 对两种机型的耦合系统作为范例，对不同工况下的稳态传热与流动进行了数值 仿真计算，得到了耦合传热条件下，主要零部件表层高周热负荷的基本分布规 律，并分析了工作周期性对耦合传热系统的整体影响1 1 3 1 。傅秋阳采用了流固耦 合的计算方法，模拟了发动机排气歧管全速全负荷工作室的温度场以及冷却过 程的变形与应力，来确定排气歧管在工作中变形过大、漏气问题的设计缺陷， 并提出了解决方案1 1 4 j 。 排气歧管瞬态热流体一热应力耦合的研究方法，采用直接耦合法对内燃机 排气歧管进行瞬态热流体、热应力的耦合仿真。研究了仿真过程中瞬态温度加 载、高阶单元生成及中间节点温度插值等问题的处理方法，分析了网格疏密、 时间步长对计算精度、计算时间的影响【1 5 】。排气歧管瞬态热流场的仿真结果得 到试验的验证，同是比较了瞬态稳态的计算结果的差异，验证了进行排气歧管 瞬态热流体热应力的必要性及有效性。在瞬态传热的过程，可以有效地预测排 气歧管的温度和热应力的瞬态波动状况，找到其结构薄弱部位，为不锈钢歧管 式催化器的疲劳可靠分析奠定基础。 排气歧管热负荷数值模拟优化方法，其提出某发动机运行期间，由于不合 理的结构设计导致排气歧管关键部位的热疲劳失效。采用c f d 技术模拟排气歧 管工作时的外流场；通过热力学计算得到排气歧管的入口和出口边界条件，计 算排气歧管的三维瞬态内流场；将内外流场计算的等效传热边界条件影射到排 气歧管的内外表面生成传热边界条件，计算出结构温度场；将固体边界的温度 作为流场边界条件重新进行内外流场计算，反复迭代多次。最后，求解结构的 热应力【1 引。对原方案提出了改进意见，结构改进后，排气歧管热疲劳失效得到 4 武汉理工大学硕上学位论文 排除。 基于c f d耦合分析排气歧管热负荷方法，其采用了计算流体力学有 限元分析耦合_ 计f e 算a 分析方法，来预测排气歧管的热负荷。首先用计算流体力学 软件计算了排气歧管的瞬态内流场，得到了排气歧管内壁的热边界条件；再以 此为边界条件，使用有限元软件计算了排气歧管的温度场，并以此温度场为边 界条件，计算了其热应力；最后进行疲劳分析，得到安全系数，可以进行工程 开发。 近年来，随着计算机技术和c f d 的快速发展，国内外采用数值模拟的方法 来研究排气歧管的流场速度分布、压力损失、起燃特性和转化效率越来越普遍， 为排气歧管的优化提供了指导，从而减少了实验工作量并缩短了设计周期【1 7 1 。 现在c a e 分析越来越广泛的应用在新产品的开发中，和以前的试验开发手 段同等重要，由于c a e 不但可以节约时间，还大大降低了试验经引1 8 】。利用c a e 的方法可以有效的提高设计质量，并且产品开发中所要考虑的强度、噪声、疲 劳和强度多可以利用c a e 技术。本课题先利用三维建模工具p r o e 建立不锈钢排 气歧管的三维几何模型，然后在实用c f d 分析软件s t a r c c m + 对研究的不锈钢 排气歧管进行热流场分析，最后利用有限元软件a b a q u s 进行热应力分析，主要 的分析目的是发现结构部件中热应力集中的部位，优化结构达到解决受热部件 的因为温度过高所造成的破坏。 1 3 应用软件介绍 排气歧管中由于背压的高低、热力场、流场等因素影响发动机运行的效率， 为此需要对排气歧管的结构进行合理的优化，传统的试验方法由于投入成本太 高、开发周期太长，新一代的软件分析快速成型已被广泛采用，如s t a r c c m + 、 a b a q u s 、f l u e n t 、g t - p o w e r 、b o o s t 等仿真软件，其中s t a r c c m + 、a b a o u s 因无缝的数据交接以及建模的快速成型和高精度的仿真结果被更广泛的采用， 本文正是采用该软件进行下一步的项目开发工催1 9 j 。 1 3 1s t a r - c c m + 软件介绍 s t a r c c m + 是c d a j 公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代 高端c f d 软件，继承了c d a j 公司2 0 多年来的经验，拥有出色的性能、精度和 5 武汉理t 大学硕l ：学位论文 高可靠性。s t a r c c m + 发展成为集成流动、传热，多相流、流固共轭传热、燃烧、 固体应力计算、固体六自由度运动，以及和f e a 软件直接进行双向耦合的高端 平台，而且所有仿真分析都在一个环境内进行【2 0 。它一体化用户界面可以显示 全部的模拟过程，从参数化c a d 建模、表面准备、体网格生成的网格划分，到 模型设定、计算求解及后处理分析的整个流程都能在同一个界面环境中完成。 与传统的c f d 软件相比，s t a r c c m + 的特点是： ( 1 ) 界面更加友好，易用性更强；基于j a v a 开发的用户界面，很容易实施 项目流程化、自动化，能更高效的和其他优化软件耦合进行分析，使用j a v a 可 较方便的定制客户化高级界面1 2 。 ( 2 ) 各种c a d 数据的无缝链接技术和全参数化的几何建模模块3 d c a d 搭 建起c a d 和c a e 之间沟通的完美桥梁。 ( 3 ) c a e 集成接口中的数据映射功能可以将计算结果映射到其他的表面和 体上，这赋予了s t a r c c m + 与其他学科软件耦合时无与伦比的优势。 ( 4 ) 前处理的几何修复功能和包面功能，具备最新的薄面网格功能可自动 生成节点完全连续的薄壁层网格，保持了多面体网格的独特优势，使得 s t a r c c m + 在同类软件的前处理方面处于技术最前沿1 2 到。 ( 5 ) 翼形几何体快速生成高质量六面体网格的工具和旋转机械类的网格工 具。 固体应力计算和固体大变形的计算，使流动到传热一应力统一模拟在此软 件中得以首次实现l z 剐。 独创的最新网格生成技术是s t a r c c m + 的最大特点。s t a r c c m + 软件包中自 带模块可建立各种几何模型，也提供与其他三维绘图软件的接口保证完整无缝 的导入各种其他三维模型，它可以完成复杂形状数据输入、表面网格处理、自 动体网格生成等生成网格所需的一系列作业，网格生成器可自动划分多种网格， 如多面体网格、四面体网格、六面体网格等2 3 。2 5 1 。s t a r c c m + 倡导的多面体需要 较少用户干预，能适应复杂的几何，在体单元理论上可具有任意数量的面，提 高了自动化生成网格的效率和网格的自量。 1 3 2a b a q u s 软件介绍 a b a q u s 被广泛地用于发动机运行状态的模拟，可以分析复杂的固体力学和 流体力学系统，能够分析庞大复杂的系统和模拟高度非线性模型，其不仅可以 6 武汉理工人学硕士学位论文 做零件的物理力学和场效应分析，还可以做复杂系统模拟分析。 a b a q u s 能够进行位移分析、动态分析、静态应力、粘弹性、粘塑性响应分 析、热传导分析质量扩散分析、耦合分析、非线性动态应力位移分析、瞬态温 度位移耦合分析等分析模块【2 6 】。a b a q u s 产品在大量的产品研究中起着巨大的 作用，并致力于解决这些领域的深层次问题。其包括内容丰富的单元库，多达 5 6 2 种，按类可分为8 个大类，如实体单元、薄膜单元、梁单元、杆系单元等等。 1 4 本文主要研究工作 本课题正是在这种背景下，开展利用c a e 技术对机动车排气歧管进行流场 分析、热应力分析，优化出满足实际排气系统需要的排气歧管。优化后的排气 歧管减少排气歧管的压力损失，降低排气背压，避免了对发动机动力性、经济 性的影响，同时也降低了排气歧管的成本【27 1 。本课题将给定的排气歧管的位置参 数进行结构的初步优化，利用s t a r c c m + 软件对其进行流场分析，根据流场分析 的结果进行热应力分析后在对其局部结构进行调整，进而优化出满足整车厂给 定的性能参数的排气歧管。 对某不锈钢排气歧管进行传热与热负荷研究，针对产品性能存在的问题， 进行优化设计，使产品达到设计要求。利用s t a r c c m + 软件和a b a q u s 软件建立 热流耦合分析模型，以获得较为准确的传热关系和温度分布，为不锈钢排气歧 管的优化设计提供依据。根据流场分析结果如流动压力损失、压损不均匀度。 最后根据c f d 分析所得到的热边界条件，即流体的温度和换热系数，后将热边 界条件映射到有限元面单元上，并通过有限元技术与排气歧管实体单元相耦合， 通过a b a o u s 算出排气歧管热应力、热模态、热塑性，分析结果优化结构得到排 气歧管最优方案。 由于原模型欠缺设计，流场分析结果如流动压力损失、压损不均匀度、速 度均匀性系数各项性能指标都不理想，对排气歧管进行结构优化。在排气歧管 中是受热零部件的传热过程，主要是指由法兰盘、排气歧管的传热过程。发动 机排放的气体产生的热量与排气歧管换热时一般划分为三个阶段：排气向壁面 的换热、通过内壁的导热以及外壁面的换热。该传热系统包括了流体一固体之 间的耦合以及固体一固体之间的耦合。先计算流体和固体的换热，换热后就会 在固体里计算热传导。由热传导、比热、热传导率得到温度场然后再映射到 7 武汉理工大学硕l ：学位论文 a b a q u s 上，然后在a b a q u s 中得到其热应力、热模态和热塑性2 剐。 本文的计算流程主要包括以下几个方面，排气歧管内流场的热边界条件， 内部温度场的有限元分析，以及排气歧管的内部受热变形和产生的热应力分析， 为具体描述这一过程下图1 2 中对整个计算过程通过流程图进行了详细的讲解。 图卜2 计算流程图 8 武汉理t 大学硕七学位论文 第2 章排气歧管内流场仿真 2 1 流体动力学控制方程 按照物理的能量守恒定律，流体内部的运动包括热交换、混合相互作用等， 均可以通过能量守恒计算，若流体运动过程中还包括湍流，则还需要遵守湍流 的输运方程，下面将分别按照这些数学方程进行介绍气体流场过程变化1 。 2 1 1 质量守恒方程 该定律可表述为单位时i 司内流体增加的质量等于单位时i 司内流入该系统的 质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程： 型a t + 击v ( p w u ) = 一警+ 等+ 等+ 誓+ e ( 2 - 1 ) 引入矢量符号扰v ( 口) = c q a ，c 3 x + c a a y o y + a a ：a z ，上式可以写成： 署+ d v ( p u ) _ 0 ( 2 - 2 ) 式中：，密度，堙埘3 f 时间，s “速度矢量，m s 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒方程的表述：一微元的动量相对时间的变化率等于外界作用力与 作用时间的乘积。按照这一定律，可以计算出x ，y ，z 三个方向上的方程： 掣协( 舢) = 一罢+ 誓+ 誓+ 鲁+ 只 陋3 ， 掣+ 训卟一考+ 鲁+ 等+ 誓+ e 陋4 ， 9 武汉理工大学硕上学位论文 丁a ( p w ) + 州p w 卟一警+ 鲁+ 鲁+ 誓+ c ( 2 - 5 ) 式中：p 流体微元体上的压力，p a c ，e 微元体上的压力， f 。，f 删，f 。因粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力r 的 分量，n m 2 。 以上三个式子是对任何类型的流体包括( 非牛顿流体) 均成立的动量守恒 方程对于牛顿流体，粘性应力与流体的变形率成j 下比例，则以上的动力方程可 以改写为3 0 j ： 旦肇堕+ d i v ( u ) ：疥1 ，( 删出) 一宴+ 瓯( 2 - 6 ) o to x 旦肇堕+ 历v ( u ) ：历v ( p g r a d u ) 一o p + 瓯( 2 - 7 ) o t出 掣+ d i v ( u ) ：州础) 一罢+ & ( 2 - 8 ) 式中：耐梯度，g r a d ( ) = a ( ) 苏+ a ( ) 砂+ a ( ) 瑟 u 速度矢量， ，s v ，& 动量守恒方程广义源项 2 1 3 能量守恒方程 该定律可表述为：微元体单位时间的能量增加等于进入单元体的净热量加 上外界对该微元做的功。以温度t 为变量的方程为： 掣+ d i v ( p w ) = 咖匕叫+ s 陋9 ， 该式可以写成展开形式： a ( p t ) + 幽+ a ( p v t ) + 幽( 2 - 1 0 ) 8 |瓠执钯 武汉理工火学硕t 学位论文 = 昙( 毒警 + 专( 毒茜 + 丢( 毒鼍 + 品 式中：c 。比热容，堙k 丁温度，k 七流体的传热系数，w i r e k & 流体的内热源及机械能转换为热能， 对于不可压缩的流动或压缩量极小的流动体，若热交换量小可以忽略时， 可不考虑能量守恒方程。 2 1 4 标准k 一模型 标准模型七一占是e i 前使用最为广泛的湍流模型，它在湍动能k 的方程的基 础上，再引入一个关于湍动耗散率s 的方程，形成标准k 一占模型【3 1 1 。 在标准七一占模型中，k 和占是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为： 一o(pk)+幽：旦忆+丛婺i+瓯+g-ps-tm+瓯(2-11)ot o x , o x j 吼j 钙i 8。 2 2 排气歧管的结构模型 发动机机内净化和机外排放控制是现在控制汽车尾气排放的两种重要的方 法。对于机外控制来说，排气歧管是重要的结构。现阶段性能良好的不锈钢排 气歧管可以有效地提高发动机的动力性、经济性；也可以有效降低汽车尾气的 排放。本文研究的排气歧管是安装在四缸直列汽油发动机上的，它有四个支管， 进排气口的安装座也就是法兰盘。 分析对象的几何模型的合理性是整个有限体积分析要求的重要因素，模型 合理与否直接关系到计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以及 计算过程能否完成。本文所研究的排气歧管模型是冲压得到的，此排气歧管是 安装在四缸直列汽油发动机上的，它有四个支管，四个迸气口，一个排气口。 根据排气歧管的形状的特点进行了简化处理，简化后的排气歧管模型转化成有 限体积模型后，可以避免网格数目过大造成计算负担过大使效率下降、计算的 过程出错，软件中程序崩溃等问题。使所以本文在保证计算精度和计算准确性 的情况下进行以下省略简化【3 2 。 对排气歧管中像那些不起关键作用的倒角、小凸台、卡环等经行了简化省 武汉理工大学硕士学位论文 略，特别是那些较小尺寸的倒角和倒圆角。略去排气歧管外部安装小凸台，可 以有效的减少网格时易引起单元总数，使得计算时间大量减少。但是加强筋会 对结构模态分析有影响，故不对加强筋作简化处理。下图2 - 1 是排气歧管没有简 化的原模型，图2 2 是简化后的排气歧管模型，从两图对比可以看出，简化处理 并没有影响对排气歧管性能的分析。 图2 - 1 排气歧管原模型 2 3 流体的流动特性 图2 - 2 简化后的排气歧管模型 排气歧管的流动特性主要有以下两个方面：压力损失和速度分布均匀性。 发动机的排气背压会因流动阻力增大而增加，随着背压的增大，残余废气系数 会增大，导致发动机的动力性、经济性下降。排气系统的排气背压，不但制约 发动机最高功率输出，而且还影响燃油的经济性，而整个排气系统中约有三分 之一的压力损失来自于排气歧管，因此尽量降低尾气流经排气歧管的压力损失 是做 武汉理t 大学硕上学位论文 结构改进的目的之一【3 3 1 。 流体流动阻力会受到流速分布均匀性的影响，流速分布不均匀，会导致载 体中心区域的空速出现和中心区域温度过高，因此会降低催化剂的转化效率， 同时会降低催化器的工作寿命；与之相反，如果边界区域的空速同时温度又相 对过低，这会导致催化剂不能被充分利用，这样会导致总体转化效率的降低。 另外，速度分布不均的现象还会导致载体径向存在较大的温度梯度出现和热应 力分布不均的产生，这会使催化器发生热变形与损坏。 2 4 影响流动均匀性的因素 气体流动的均匀性问题是的流场分析的重要部分，影响流动均匀性的因素 主要与排气管的流量脉动和催化器的结构设计有关系。气体流速的变大，会造 成载体前端均匀性变差，通过优化改进排气歧管结构，可以降低排气速度对载 体流动均匀性的影响。通过流场分析主要目的是得到转化器流场的均匀性系数， 均匀系数越高则催化器的流场越好，影响气体流动均匀性的主要有排气歧管管 道的形状和排气歧管的材料属性两个因素，排气歧管支路的流通性能好，管道 阻力小是可以降低排气压力损失和提高速度均匀性。 2 5 歧管结构流场分析 2 5 1 排气歧管的网格模型的建立 合理划分和高质量网格是c f d 计算的必要条件，网格质量的优劣直接关系 到数值计算的精度。网格生成是计算流体力学的重要的过程，在本文中先把简 化好的模型准换成s t l 格式的面网格后r e g i o n 分割将流体抽取出来，再运用 s t a r c c m + 中的表面网格重构( r e m e s h e d ) 功能生成表面三角质量很好的面网格， 面网格数目为2 2 0 0 6 9 0 ，然后划分多面体网格划分边界层和拉伸层在流固的交界 面上划分的厚度为0 0 0 1 5 m 的边界层。在四个进口分别生成了0 0 5 m 的拉伸层， 所做的拉伸层的层数为2 0 ，在出口端生成的拉伸层厚度也是0 0 5 m ，拉伸层数 为5 0 。最终排气歧管的流体计算域的体网格数为1 5 8 8 2 8 6 个。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 2 边界条件的设置 图2 - 3 流体域网格模型 进口边界条件：本文分别进行歧管式催化转化器四个排气口进气情况的稳 态模拟，入口采用质量流量边界条件，质量流量取5 0 0 0 r m i n 工况下，排气歧 管入口的质量流量为8 0 9 s ，入口温度为1 0 7 3 k 。 出口边界条件：本文的排气歧管出口只有一个，在四个排气口迸气情况的 稳态模拟中都采用压力出口条件，压力为一个标准大气压1 0 1 3 2 5 k p a ，相对大 气压的参考压力为2 0 k p a ，出口环境温度3 0 0 k 。 2 。6 计算模型 在不影响结果判定的情况下，本文研究所用的工质以热空气进行计算，认 为排气歧管内流动的气体是密度、粘度不变的不可压缩的气体，且气流的物理 性质均匀一致，气流状态为不可压缩、湍流流动。不考虑各缸依次排气之间的 相互影响，分别对四缸排气进行模拟。忽略催化转化器载体内的催化反应对流 场的影响及其放热对仿真热流耦合的影响1 3 4 j 。 发动机排气系统内的流动一般是高雷诺数的三维非定常湍流，因此本文研 究歧管催化转化器时采用的湍流计算模型是标准k s 模型。标准k 一占模型是 联立时均流动质量、动量守恒方程和湍动能k 和耗散率占方程。在湍流计算中有 k 一占、雷诺应力等多种湍流模型可以使用，但k 一占模型较简单，在计算承受能 力不大的情况下能保证很好的计算精度，因此本文采用标准的k 一占模型进行模 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 拟计算。算法上采用s i m p l e 计算法，离散格式采用一阶迎风格式。 歧管式催化转化器外壁与大气之间存在热交换，按第三类边界条件进行传 热设置能量方程。软件在计算过程中采用有限体积法将计算区域划分成离散的 控制体网格，对每个控制体上控制方程进行积分，形成计算变量的代数方程组， 最后得到排气歧管热流耦合的仿真结果。 2 7 仿真结果分析 对于汽车排气系统的重要部件之一的排气歧管来说，压损不均匀性和流场 的流通特性直接关系到发动机的动力特性、燃油经济特性和排放特性。若排气 歧管的压力梯度过大，还对排气歧管本身的属性有影响，会造成排气歧管的应 力集中局部疲劳受损，从而缩短了排气歧管的使用寿命【3 5 1 。不锈钢歧管结构复 杂，对整个排气系统的压力分布有直接影响，因此分析排气歧管的压力损失尤 为重要。通过c f d 分析可以得到排气歧管1 4 缸分别开启时各缸压力分布图( 如 图2 4 2 7 所示) ，表2 1 为各缸开启时进出口的背压值。 表2 1 四根排气管分别排气时的进出口被压值 c y l i n d e r1 c y l i n d e r2c y l i n d e r3c y l i n d e r4平均值 背压损失( k p a ) 9 71 2 41 3 61 4 61 2 6 浮动值 一2 3 1 6 7 8 1 5 8 图2 4c y l i n d e r1 开启时压力分布图 零舀一 一一 武汉理工大学硕士学位论文 3 6 d p r e s s t , g e ( p a ) 翳鬓麓缓缓缓爹曩_ 一| 参j 嚣荔爹。j 2 8 0 图2 - 5c y l i n d e r2 开启时压力分布图 6 懈 图2 - 6c y l i n d e r3 开启时压力分布图 5 2 0 o o 姗 辫鬻 3 6 0 p r e s s u r e ( p o ) 雕鬻。；? 叠 i 薯黎蓥甏善 图2 7c y l i n d e r4 开启时压力分布图 1 6 5 2 0 掣 群置；|i 武汉理工大学硕l 学位论文 若排气歧管的内部流场不均匀，不但会使排气歧管应力集中，还会影响三 元催化转化器的催