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涡壳旁通阀口发动机试验中的开裂失效及解决方案1 前言 涡轮增压器是利用发动机排出废气的热能和动能来压缩空气以增加发动机进气量，在保持发动机工作效率不变和不加大发动机排量的情况下可以有效提高发动机的功率及扭矩。由于其具有提高车辆低速响应特性，提升汽车燃油经济性，有利于发动机设计轻量化，特别是有助于满足要求日益严格的车辆排放标准法规等一系列优点。在当今世界包括中国汽车市场中成为热点并得到了广泛的应用，霍尼韦尔公司增压器部门生产的盖瑞特牌（Garrett）涡轮增压器在业界不论全球市场还是技术都处于领先地位，拥有多项增压器相关专利，是中高端汽车品牌提升车辆性能和体现品牌品质的保证。虽然涡轮增压器的原理非常简单，但是由于它直接处于发动机排气侧，来自于发动机排气的热量和冲击使得增压器在汽车运行过程中处于复杂的工作状态，承受着非常严酷的瞬态热负荷。除了精密的轴承系统和气动叶轮部件可能因此产生各种问题外，涡壳材料因为处于很高的温度以及快速、大范围的温变状态下长期工作也容易导致出现热-机械疲劳强度失效及蠕变强度失效等相关问题。本文针对一款车用柴油涡轮增压器旁通阀口在发动机试验中出现的开裂问题及其解决方案进行探讨，以冀增加对复杂几何结构热应力强度失效问题的了解和解决此类问题的一些工程经验。文中部分数据出于保密要求未详细给出。2 涡壳旁通阀口发动机试验中的开裂失效及解决方案 霍尼韦尔公司为客户开发的一款柴油涡轮增压器在客户发动机上进行耐久性试验后，在低压端涡壳的旁通阀口区域出现了贯通裂缝。因为该区域需要控制气体是否通过，该处此类裂缝的存在可能造成气体泄漏量超限而使整机工作性能下降或失效，需要通过力学分析来查找导致开裂的原因，进而指导改进设计以尽可能减小或者避免这种开裂。2.1 产品介绍 下图2所示为涡轮增压器的示意图。涡壳材料采用SiMo类的球铁，通过高压端涡壳进气口法兰位置处的控制阀门和发动机排气侧相连。整个产品零件多，热端相对复杂的几何设计会造成在瞬态热负荷下的材料热惯性效应相互影响，涡壳内的瞬态热量传递分布过程变得复杂。2.2 失效形式和原因分析 该增压器按照客户标准在客户的发动机上经受耐久性试验，试验中增压器进气温度在200到830之间循环变化，试验后在低压端涡壳旁通阀口区域发现开裂的情况，如下图所示。 可以在阀座端面上清晰地看到贯通旁通阀出口气道壁厚的裂缝，尤以图中标示位置A处的贯通裂缝最为严重，且在同一位置存在两条邻近裂缝，表明A处的热机疲劳寿命强度最薄弱。此类贯通性裂缝会造成超限的气体泄漏量，应该通过设计更改尽量减轻或消除。根据产品的高温运行条件和开裂所在位置，可以初步判断此开裂和该区域的温度分布和热应力有关。因此通过有限元分析进行了弹塑性数值仿真来确认造成失效的原因。因为只是关心排气旁通阀气道区域的力学行为，在分析中仅考虑热端的涡壳，不包括中间体、冷端的压气机壳以及尾气处理装置等，以减少有限元模型的规模，缩短分析时间。 结构热应力，特别是随着瞬态热负荷变化的增压器结构热应力，其高温下的力学行为比较复杂，本例中增压器涡壳内气体温度在200到830变化会导致材料的屈服强度、抗拉强度等在高温段迅速下降；高温下金属材料的蠕变行为会影响热应力的变化，可能加速疲劳破坏；发动机高温废气形成的氧化腐蚀环境下的加速疲劳破坏；增压器涡壳材料工作温度接近其极限温度等，导致高温热应力条件下的增压器结构强度失效问题非常复杂，目前的理论还不能完满地阐释清楚其机制，仍然需要通过实践来解决很多不确定的因素。霍尼韦尔公司对此进行了多年的研究试验，开发了一系列适合工程应用的方法和工具，从确定热边界的方法，数值仿真模型的建立，到失效强度评估模型的研究等，已经具备一系列经过试验验证的方法和流程，保证了在公司内广泛推行基于分析的设计的可行性。 为找到本产品开裂的原因，我们使用ANSYS通用仿真软件系统进行了分析，在仿真中运用公司开发的方法和流程，获得在客户发动机的瞬态热负荷条件下，应变增量稳定后在热端涡壳上的瞬态温度，弹塑性热应力-应变等。重点关注低压端涡壳旁通阀口区域的温度分布情况和热应力-应变分布情况，除了评估开裂区域的温度、应力、应变外，同时选用了基于Chaboche强度理论的热-机械疲劳失效模型对开裂区域在瞬态循环热负荷条件下的热-机械疲劳寿命进行了评估。在应力和疲劳寿命的评估中未考虑高温蠕变的影响。 数值分析结果表明，旁通阀口区域是温度较高的区域，存在明显的塑性变形和较高的热应力。 下图4是当高温废气通过增压器终了时刻，旁通阀口区域附近的温度分布。 下图5是热负荷循环后的累积塑性应变分布。 下面图6是仿真分析得到的该区域开裂位置A处在瞬态热负荷在一个循环周期内的温度、应力变化的时程曲线。 表1是开裂位置A的数值仿真应力应变和温度、寿命数据。 注1表中应力比是某时刻应力和该时刻材料抗拉强度的比值。 从上面图表数据可以看出，旁通阀出口附近区域的高温区范围较大，温度较高，而金属材料在高温下的强度极限是比较低的，这是该处会产生开裂的基本工作环境；该区域有多个气体通道，设计了较多的几何构造特征来实现设计意图和产品功能，这些特征较多且相互间的影响关系复杂，使得阀座周边的刚度分布不合适，在温度变化过程产生的结构自由热膨胀相互受到限制使材料进入塑性，产生了较高的热应力和应力比，导致结构出现热机疲劳初始裂纹的寿命较短。位置A处数值仿真显示为最危险位置和实际试验相符。2.3 针对失效的解决方案 根据上一节的数值仿真和原因分析，我们可以根据开裂的原因进行针对性的设计改进，其目标不外乎就是希望某些改进能导致结构的热-机械力学行为出现如下的变化： （1）开裂位置及其周边较大区域内的金属温度能有显著降低。这能够使结构的金属材料工作在较低的温度，从而具有更高的屈服强度和抗拉强度，提升材料抵抗开裂的能力。 （2）在开裂位置局部的热应力能够明显降低。这可以让造成开裂的能量得以减少而避免该处的裂纹萌生。这种热应力的降低既可以是改善结构局部的不连续或应力集中获得；也可能是通过在该区域较大范围内改变其结构刚度分布来减少对自由热膨胀的相互限制来实现。 （3）避免失效处较大的热应力出现在金属材料的高温段，尽量让瞬态变化中的高应力（特别是拉应力）和高温度出现时刻隔开较长的时间。 （4）其它措施如采用更好的材料，降低发动机热负荷等。 具体到本产品，我们认为在旁通阀出口附近区域的金属结构刚度分布不太合适，特别是开裂位置A周边离两个气体通道都较近，而该处正好处于一个基底材料厚度变化处，因而造成了过高的局部热应力，建议增加一些材料来使厚度分布更均匀以改善刚度均匀性，这样有望降低附近的热应力。下图7示意了这个改变。（文中忽略具体尺寸）。 旁通阀出口附近区域几何形状复杂，根据上述修改建议形成新设计时，也对其它一些特征作了必要的修改以达成设计意图和满足功能要求。比如，旁通阀转轴套筒孔也要随着阀端面的提升而处于新位置。 设计更改以后，我们采用和原设计相同的数值仿真方法对新设计也进行了分析，同样得到温度、弹塑性应力应变的分布和热-机械疲劳结果。分别如下图8图10及表2所示。 下面的图11在一张曲线图上比较了原设计和新设计在温度、应力上的区别。 图11中是新旧设计的温度、应力时程曲线比较，相同颜色的曲线中较粗的曲线表示新设计，较细的曲线表示原设计。 从上述数值仿真结果的图表可以看出，修改后的新设计方案在旁通阀出口附近的高温区域范围有所减小，关键位置的温度也有一点降低。但主要是新设计方案关键区域的热应力得到了很好的改善，其瞬态最大主应力显著降低，降幅达75%。在原设计出现开裂的区域，新设计分析表明不再出现塑性变形。新设计对结构强度的改善程度是明显的。 新设计的样件实物出来后，在同样的发动机上和原设计一样进行了相同的耐久性试验。从试验后的检测结果来看，新设计在旁通阀出口附近没有发现开裂，该设计修改经实际试验检验证明解决了原设计在该区域的开裂问题。图12给出新设计完成耐久性试验后旁通阀出口附近的照片，除了轻微氧化痕迹，没有看到明显的结构开裂。2.4 讨论 从前面的给出的试验和分析结果来看，现有的分析方法给出的危险区域并不能和试验开裂区域一一对应起来。表明其它位置的开裂和位置A的开裂具有不同的失效机制。这可能是由于诸如我们没有在仿真中考虑实际存在的高温蠕变带来的热变形对开裂的影响；实际试验中可能是完整结构在A处由于热机疲劳失效首先开裂后，该区域的应力和应变能分布与开裂前完整结构有了较大区别，进而导致其它位置承受增加的变形能量相继开裂等。我们目前的解决方案只是针对完整结构的热机疲劳失效进行评估，其它失效机制不在本文讨论范围内。 有意思的是只根据关键位置A处的分析给出的解决方案经过分析和试验证明也有效解决了该区域其它几处开裂问题。这似乎表明，实际工程中碰到的失效问题尽管是复杂的，一些失效之间却往往是有关联的，它们可能对应着同一结构设计特征。对于此类问题，我们根据其中容易分析和理解的失效进行改进可以事半功倍地同时解决相关的几个失效。3 结论 增压