1. 簡介

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，各國對排放法規(guī)的要求越來越嚴格，對排放的有害氣體及顆粒物的要求越來越嚴格和具體。為了達到排放法規(guī)的嚴格要求，排氣系統(tǒng)的熱端需要盡早介入工作，催化反應掉發(fā)動機排放的有害氣體，這就要求排氣系統(tǒng)熱端盡快達到高溫狀態(tài)，讓催化劑達到工作溫度。對發(fā)動機性能和排放要求的不斷提高，使排氣系統(tǒng)比以前承受更大的振動載荷和更高的排氣溫度。排氣系統(tǒng)熱端在收集廢氣，并對廢氣進行催化轉化的過程中，不僅承受了發(fā)動機的劇烈振動沖擊，還承受高溫高壓的發(fā)動機廢氣沖擊，工作環(huán)境極其惡劣，劇烈的溫度變化，極易使排氣系統(tǒng)熱端產生熱機疲勞失效問題。如何更快的識別及預測排氣系統(tǒng)熱端的熱機疲勞點，受到整車廠及零部件公司的共同關注?？紤]到產品開發(fā)成本及開發(fā)周期兩方面，越來越多的廠家選擇虛擬仿真驗證的手段，來預測排氣系統(tǒng)熱端的熱機疲勞失效。

 

本文選取某款發(fā)動機的排氣熱端作為分析對象，來介紹如何對發(fā)動機排氣系統(tǒng)熱端進行虛擬預測。本文采用的是目前比較成熟的有限元分析方法（FEA），對該排氣系統(tǒng)熱端進行熱機耦合仿真分析，找出存在的可能風險點，并提出優(yōu)化措施。

 

本文大致分為如下幾個方面：

首先，建立有限元模型。利用通用仿真分析前處理軟件 Hypermesh 對排氣系統(tǒng)熱端數(shù)模進行前處理，建立結構有限元分析的網格模型。然后，切換 Hypermesh 到 Abaqus 模板下，為各個零件的有限元模型定義有限元模型屬性和材料，以及有限元模型的熱邊界條件。注意，在做熱機耦合分析的時候，要考慮到材料的本構關系從常溫到高溫過程中，受溫度的影響。

 

然后，利用大型通用有限元計算軟件 Abaqus 的求解器對排氣系統(tǒng)熱端進行溫度場分布分析。計算完成后，利用通用有限元后處理軟件 Hyperview 查看排氣系統(tǒng)熱端的溫度分布云圖。同時，此溫度場結果將被后續(xù)的熱機耦合分析所引用，做為溫度載荷施加到排氣系統(tǒng)熱端的有限元模型上。

 

2. 排氣系統(tǒng)熱端溫度場分析

本部分主要介紹溫度場仿真分析的原理及分析流程。

 

2.1 內邊界條件分析

利用 Fluent 軟件，對排氣系統(tǒng)熱端的內流場進行分析，計算出排氣系統(tǒng)熱端的內邊界條件。進出口的邊界溫度根據客戶給定的排氣溫度確定，由計算可得出排氣系統(tǒng)熱端的熱傳遞系數(shù) HTC 的分布結果。

 

根據以上的內流場分析結果，把熱傳遞系數(shù) HTC 和氣體溫度作為內邊界，施加到排氣系統(tǒng)熱端 FEA 模型上。在一些要求不太精確的計算中，為了節(jié)約計算時間，也可以對內邊界條件進行簡化定義，根據同類型排氣系統(tǒng)熱端的分析經驗，以及以往排氣系統(tǒng)熱端仿真分析的經驗，對內邊界的溫度及 HTC 手動定義一個統(tǒng)一的數(shù)值。

 

2.2 溫度場分析 FE 模型

由于排氣系統(tǒng)熱端模型都是多曲面的復雜模型，因此排氣系統(tǒng)熱端的 3D 模型都是在專業(yè)的 CAD 軟件中建立。然后，把 CAD 模型導入到通用有限元前處理軟件 Hypermesh 中，在 Abaqus 的模版下，進行網格劃分，單元屬性和零件材料的定義。建立好網格模型后，即可以進行邊界條件的施加。在本方案中，本排氣系統(tǒng)熱端主要采用四邊形 Shell 單元，法蘭和載體采用六面體 Solid 單元，渦輪增壓器采用四面體 Solid 單元。排氣系統(tǒng)熱端的結構零部件主要為不銹鋼材料，具體的材料參數(shù)來自于公司內部的材料數(shù)據庫，材料參數(shù)需要考慮受溫度的影響。

 

2.3 溫度場分析理論和計算結果

在熱傳遞分析的模型中，主要考慮的熱傳遞機理如下：1）、熱傳導， 2）、熱輻射， 3）、熱對流。排氣系統(tǒng)熱端溫度場計算的控制方程[2]為

 

 

 

熱邊界條件為第一類邊界條件 t= ??(??, ??) 和第三類邊界條件?k，渦輪增壓器法蘭面和進氣端錐的接觸、支架和殼體的接觸，均為第一類邊界條件；其余為第三類邊界條件。

 

排氣系統(tǒng)熱端內壁的熱邊界條件由流體仿真分析 CFD 得出。排氣歧管外表面的空氣溫度設定為 20oC；根據經驗，假定換熱系數(shù)為 25W/mm2K。

 

下圖 1 為排氣熱端溫度場的分布圖。溫度最大值出現(xiàn)在入口端錐上，最大值為 882oC。

 

 

圖 1. 排氣熱端溫度場

 

3. 熱機耦合（TMA）分析

3.1 TMA 理論基礎

結構變形時，其總應變能分為彈性應變(Basquin 公式)和塑性應變(Manson-Coffin 公式)兩部分，如公式（2）所示：

 

 

 

排氣系統(tǒng)熱端承受著高溫氣體的沖擊，其主要的疲勞損傷為低周疲勞損傷，塑性應變是低周疲勞損傷的主要評判參量。通過對金屬材料疲勞失效的進一步研究，Morrow 對Manson-Coffin 公式進行了修正，發(fā)現(xiàn)塑性應變幅 ε 的增量對疲勞壽命次數(shù)有著直接的影響。

 

因為，材料在經歷少數(shù)循環(huán)后，經過循環(huán)硬化或軟化，材料響應趨于穩(wěn)定。后來，Morrow的修正又得到進一步的改進，最終，其低周疲勞壽命預測公式[3]如下：

 

 

 

從公式可以看出，應變幅增量的對數(shù)與疲勞壽命次數(shù) 2Nf的對數(shù)成線性關系。C 為疲勞延性系數(shù)，Nf為疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)。此公式是建立在大量低周疲勞試驗數(shù)據基礎上的一個經驗公式，C 也是基于大量試驗數(shù)據的擬合值。

 

3.2 FEA 模型

本文的計算是非線性計算，采用了主流的商業(yè)軟件 Abaqus 來完成。排氣系統(tǒng)熱端分析模型如圖 2 所示。薄壁件主要采用 Shell 單元，發(fā)動機假體、渦輪增壓器和法蘭等鑄件采用 Solid 單元。計算模型的材料本構關系需要考慮溫度變化的影響，不同的溫度條件下，材料的塑性應變曲線也會不同。同時，部分零件之間需要做特別的定義，如下：

1）、發(fā)動機假體和排氣熱端建立接觸。

2）、螺栓處施加預緊力。

計算模型的約束邊界定義在發(fā)動機假體上。施加溫度載荷，由第一步的熱傳遞計算得到所有節(jié)點的的溫度。

 

 

圖 2. 排氣系統(tǒng)熱端熱機耦合 FEA 模型

 

4. 熱機耦合計算和結果

施加節(jié)點溫度載荷到模型上，模擬發(fā)動機的起停工況，定義溫度加載歷程，利用ABAQUS 做非線性分析，主要考慮材料非線性和接觸非線性，計算在每一個載荷歷程下的等效塑性應變及等效塑性應變增量，并據此計算零件的疲勞耐久壽命數(shù)值。

 

載荷歷程為一個半循環(huán)的冷熱沖擊工況，熱機工況為上面溫度場分析計算出的溫度載荷，冷機工況為所有節(jié)點溫度降到室溫 20oC，如圖 3 所示。在進行冷熱循環(huán)工況前，要添加安裝法蘭的螺栓預緊力。

 

 

圖 3. 冷熱循環(huán)工況載荷步

 

熱機耦合的分析結果如下圖 4 所示。假定熱機耦合塑性應變的目標值為 1%。從塑性應變結果中可以看出，和渦輪增壓器連接的法蘭上面出現(xiàn)塑性應變大于 1%的環(huán)形區(qū)域，這是由于法蘭面并非此分析的關注點，因此對它定義了 TIE 接觸，導致出現(xiàn)等效塑性應變大于1%的環(huán)形區(qū)域，此處數(shù)值為非真實數(shù)值，可以忽略。傳感器附近的筒體和安裝支架上均有塑性應變超過 1%的區(qū)域，這兩個區(qū)域應該給予更多關注。

 

 

圖 4. 各載荷步下等效塑性應變

 

根據熱機耦合的等效塑性應變分析結果，利用特定的方法，把塑性應變值轉化為疲勞壽命，如圖 5 所示?？梢钥吹絺鞲衅鞲浇搀w和安裝支架都存在壽命極低區(qū)域，存在熱疲勞失效的風險。

 

 

圖 5. 熱機耦合疲勞壽命分布

 

5. 優(yōu)化方案

通過上面的分析，可以初步判定原設計方案的安裝支架存在熱機疲勞失效風險。為了釋放熱變形，降低塑性應變，我們縮小了兩個安裝支架之間距離，重新進行熱機耦合分析。圖 6 為優(yōu)化方案的塑性應變結果。從圖 6 中可以看出，上面兩處的塑性應變有了明顯的降低，達到了優(yōu)化設計的目的。塑性應變基本接近了 1%的目標值。

 

 

圖 6. 優(yōu)化方案的等效塑性應變

 

把新方案的塑性應變值轉化為熱機疲勞壽命，結果如圖 7 所示。從圖 7 中可以看出，新方案的熱疲勞壽命均有了顯著的提高，最小的壽命值為 2979，達到了排氣系統(tǒng)熱端低周疲勞壽命的設計要求。

 

 

圖 7. 優(yōu)化方案的熱機耦合疲勞壽命

 

綜合塑性應變和熱機疲勞壽命的結果，初步判定此優(yōu)化設計方案滿足了設計要求。

 

6. 結論

本文利用熱機耦合的方法計算了排氣系統(tǒng)熱端的溫度場、塑性應變、熱機疲勞壽命，找出了可能的風險點，并給出優(yōu)化設計方案，有效地提高了產品的熱機疲勞壽命，提高了產品的設計質量，加快了產品開發(fā)的速度，節(jié)約了產品開發(fā)成本。

 

資料來源：達索官方