基于Fluent的排气歧管热应力仿真分析.pdf

摘要：发动机排气歧管工作环境恶劣，在持续高温环境下，排气歧管受热应力作用，容易出现变形甚至开裂等问题，严重影响到发动机的运行状况。为了降低排气温度、提高发动机的安全性和可靠性，首先将某型号发动机排气歧管的材料由碳素钢 Q235 更换为不锈钢 409；然后基于 Fluent 对排气歧管的工作过程进行仿真计算，分析了 2 种材料在相同的流固耦合作用下对排气歧管热变形以及热应力分布情况的影响；最后对不锈钢 409 排气歧管的结构进行了优化设计，有效减小了排气歧管所承受的热应力。关键词：排气歧管流固耦合热变形热应力优化设计中图分类号：U464.12文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0051-06Simulation Analysis of Exhaust Manifold Thermal StressBased on FluentYANG Tao1;ZHAO Wei1;LI Jianghao2;GUO Peng11-School of Mechanical Engineering,North University of China(Taiyuan,Shanxi,030051,China)2-Shanxi Weiding Industrial Co.,Ltd.Abstract：The working environment of the engine exhaust manifold is harsh.Under continuous high-tem原perature conditions,the exhaust manifold is subjected to thermal stress,which can easily cause deforma原tion or even cracking,seriously affecting the operation of the engine.In order to reduce exhaust tempera原ture,improve the safety and reliability of the engine,firstly,the material of the exhaust manifold of a cer原tain model engine is changed from Q235 carbon steel to stainless steel 409.Then,based on Fluent,theworking process of the exhaust manifold is simulated,and the influence of two materials under the samefluid-solid coupling on the deformation and thermal stress distribution of the exhaust manifold are ana原lyzed.Finally,the structure of the stainless steel 409 exhaust manifold is optimized,effectively reducingthe thermal stress borne by the exhaust manifold.Keywords：Exhaust manifold;Fluid-solid coupling;Thermal deformation;Thermal stress;Optimal design*基金项目：山西省高等学校科技创新项目（2019L0607），山西省煤层气联合研究基金项目（2015012018），山西省研究生教育创新项目（2021Y584、2021Y585）。作者简介：杨焘（1998-），男，硕士研究生，主要研究方向为现代加工理论及技术。通讯作者：赵韡（1987-），男，博士，副教授，主要研究方向为现代加工理论及技术。基于 Fluent 的排气歧管热应力仿真分析*杨焘1赵韡1李江浩2郭鹏1（1-中北大学机械工程学院山西太原0300512-山西伟鼎实业有限责任公司）引言排气歧管是发动机的重要组成部分，在持续高温气体冲击下，排气歧管受热膨胀，产生的热应力使排气歧管容易出现变形甚至开裂等问题。此外，在热应力作用下，排气歧管不停地膨胀收缩，容易发生热塑性应变；随着高温下材料强度大幅降低，排气歧管出现疲劳开裂、密封垫损坏等失效情况的可能性增小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023小型内燃机与车辆技术第 52 卷大1。排气歧管出现故障的原因主要有：材料选择不佳、结构设计不合理以及相关制作工艺不完善等2。排气歧管失效问题严重影响着排气歧管的使用寿命以及综合性能，需对其结构进行优化3。在工作过程中，排气歧管的热量一般通过热传导方式传导至相邻结构，或者以热辐射以及热对流方式传递到大气环境中。因此，在工作过程中，排气歧管的温度梯度较大，使得发动机性能及其废气排放受到较大影响4。在实际工作过程中，经常出现排气歧管与发动机连接端密封失效、高温废气泄漏、紧固螺栓断裂、冷却水滴漏、冷却水流通受阻以及尾气排放阻力增大等问题。研究发现，热特性以及散热结构是影响排气歧管使用寿命的重要因素5-6。在研究高温工作环境对排气歧管的影响时，为了缩短设计开发周期、降低研究成本，可采用数值计算的方法对排气歧管流场以及热应力分布情况进行分析，不仅可以预测工作过程中潜在的问题，还可以为后续排气歧管结构优化设计提供参考7-8。本文基于 ANSYS Workbench 计算平台，采用Fluent 计算模块分析排气歧管在工作过程中涉及到的尾气排放、固体结构材料之间的传热以及变形等物理过程，对仿真计算后排气歧管的热变形、热应力分布情况进行分析。基于计算结果提出了优化方案，通过试验证明了其有效性。1模型分析本文以某型号发动机为研究对象，对其排气歧管工作过程进行仿真分析，建立排气歧管模型如图 1所示。首先对排气歧管结构进行如下简化处理：几何模型保留功能结构，忽略工艺结构；物理边界条件相关参数根据理论计算确定，忽略实际工况中的变化及波动。然后分析模型内流场，将排气歧管计算流体域从模型空腔内抽取出来后划分网格，网格单元类型为四面体，单元数为 810 918，节点数为 157 399；流体域入口、出口设置如图 2 所示。鉴于流体域高温烟气湍流特征明显，采用标准 k-着 湍流模型进行内流场及温度场计算；壁面使用对流换热模型，采用温度壁面；流体域入口温度4取 973 K。仿真计算边界条件参数设置见表 1。将内流场温度分布结果映射到所建立的排气歧管模型内壁面，通过计算可得到固体内壁面温度分布情况；将内壁面温度场作为下一步求解固体域热变形以及热应力计算结果的热边界条件。分析过程中，排气歧管材料采用碳素钢 Q235，其材料属性见表 2。排气歧管入口处与发动机连接，因此在排气歧管 6 个入口处施加位移约束，对排气歧管热变形以及热应力分布情况进行计算。2仿真结果分析流固耦合仿真分析所得排气歧管外壁面温度分布情况如图 3 所示。图 1排气歧管模型图 3碳素钢 Q235 排气歧管外壁面温度分布情况温度/K973.516 Max895.772818.028740.283662.539584.795507.051429.307351.563273.818 Min图 2排气歧管流体域入口、出口设置示意图项目参数入口类型质量流量入口流量/（kg s-1）0.12入口温度/K973出口类型压力出口压力/MPa绝对大气压对流换热系数/（W （m2 K）-1）30环境温度/K300表 1内流场仿真计算边界条件表 2碳素钢 Q235 材料属性项目参数密度/（g cm-3）7.85热膨胀系数1.3伊10-5杨氏模量/MPa2伊10-5泊松比0.26屈服强度/MPa235入口 2入口 1入口 3入口 4入口 5入口 6出口52第 4 期碳素钢 Q235 排气歧管的热变形以及热应力分布情况如图 4 所示。图 3 与图 4 的仿真计算结果显示：排气歧管温度在入口、出口处达到最大，整体变形向出口方向发展，出口位置变形量最大，达到 2.235 2 mm；排气歧管的平均变形量为 0.892 mm，整体变形情况不严重。各尾气通道与入口结合部位热应力较大，原因是分析时在入口处施加了约束，导致入口处自由膨胀受到限制，机械应力与热应力共同作用导致入口处出现应力集中；排气歧管所承受的平均热应力为1 002.2 MPa，远远超过了材料的屈服强度，容易发生塑性变形甚至出现开裂、漏气现象，进而导致排气歧管失效。3优化设计3.1材料优化研究表明，排气歧管所用材料必须在高温下具备良好的抗氧化性能9。从上述分析计算结果可知，碳素钢 Q235 并不能满足要求，应采用不锈钢等高温环境下强度依旧符合要求的材料10。不锈钢 409 的材料属性见表 3。从表 2 和表 3 可知，与碳素钢 Q235 相比，不锈钢 409 的材料密度减小了 1.91%、热膨胀系数减小了 15.38%、屈服强度增大了 76.60%，理论上，不锈钢409 更适于用作排气歧管材料。采用不锈钢 409 作为排气歧管材料，对排气歧管工作过程进行仿真计算。图 5 为不锈钢 409 排气歧管热变形以及热应力分布情况。由图 5 可知，与使用碳素钢 Q235 相比，使用不锈钢 409，排气歧管在工作过程中的热变形与热应力均有所减小，但排气歧管的总体热变形与热应力依然偏大。为了进一步提高排气歧管的工作可靠性，本文对不锈钢 409 排气歧管进行优化设计。3.2结构优化实际工作环境中，在超载、超速或遇到特殊路况时，排气歧管负荷大幅增加，失效可能性增大。为了进一步缓解排气歧管热应力集中现象，使整个排气歧管裸露金属表面温度达到安全要求值，从而使排气歧管在不同工作状况下都符合使用要求，必须对排气歧管结构进行优化。为此，本文设计了一种全包覆水冷不锈钢 409 排气歧管。其原理是：在排气歧管通道周围新增冷却通道，通过在冷却通道中通入冷却水来降低排气歧管温度。3.2.1优化结构仿真分析为了更加贴合实际，仿真分析分为 2 部分，分别对优化后的不锈钢 409 排气歧管空载和负载 2 种工作状态下排气歧管热变形以及热应力分布情况进行仿真计算。其中，负载状态下汽车负载质量为 5000kg。冷却水入口流量为 3 L/min，入口温度为 293 K；空载图 4碳素钢 Q235 排气歧管热变形以及热应力分布情况热变形量/mm2.235 2Max1.986 81.738 51.490 11.241 80.993 420.745 070.496 710.248 360 Mina）碳素钢 Q235 排气歧管热变形情况339 3.5 Max3 017.32 6412 264.81 888.51 512.31 136759.76383.517.254 3 Min热应力/MPab）碳素钢 Q235 排气歧管热应力分布情况表 3不锈钢 409 材料属性项目参数密度/（g cm-3）7.7热膨胀系数1.1伊10-5杨氏模量/MPa1.98伊10-5泊松比0.28屈服强度/MPa415图 5不锈钢 409 排气歧管热变形及热应力分布情况热变形量/mm1.845 8 Max1.640 71.435 61.230 51.025 40.820 360.615 270.410 180.205 090 Mina）不锈钢 409 排气歧管热变形情况2 829.1 Max2 515.42 201.71 8881 574.31 260.6946.89633.18319.475.765 2 Min热应力/MPab）不锈钢 409 排气歧管热应力分布情况杨焘等：基于 Fluent 的排气歧管热应力仿真分析53小型内燃机与车辆技术第 52 卷和负载状态下冷却水出口温度分别为 303K 和 337K。图 6 为优化后的不锈钢 409 排气歧管空载状态下热变形以及热应力分布情况。由图 6 所示的计算结果可知，空载状态下，优化后的不锈钢 409 排气歧管平均变形量为 0.025 mm，所承受的平均热应力为 50.0 MPa。图 7 为优化后的不锈钢 409 排气歧管负载状态下热变形以及热应力分布情况。由图 7 所示的计算结果可知，负载状态下，优化后的不锈钢 409 排气歧管平均变形量为 0.024 mm，所承受的平均热应力为 47.0 MPa。对比图 7 与表 3 可知，优化后的不锈钢 409 排气歧管，仅各尾气通道与入口结合部位的热应力稍大于材料的屈服强度；在 2 种工作状态下，排气歧管整体承受的平均热应力均大幅小于材料的屈服强度。综合仿真计算结果可知，优化后的不锈钢 409排气歧管，变形规律与原碳素钢 Q235 排气歧管类似，同样在出口处变形达到最大值；但整体变形情况不严重，符合使用需求。与原碳素钢 Q235 排气歧管相比，优化后的不锈钢 409 排气歧管，入口处所承受的热应力大幅下降，排气歧管整体承受的热应力有所下降，缓解了热应力集中现象。原因是优化后的不锈钢 409 排气歧管采用全包覆水冷结构，冷却水与高温壁面接触面积较大，有效提高了换热效果；另外，优化后的不锈钢 409 排气歧管，在工作过程中，高温尾气携带的部分热量随冷却水从出口排出，有效降低了排气歧管外壁面温度。相比于原碳素钢 Q235 排气歧管，优化后的不锈钢 409 排气歧管，安全可靠性大大提高，有效降低了排气歧管工作过程中由于承受较大热应力而出现疲劳、开裂等失效问题的可能性。3.2.2优化结构试验分析为了验证排气歧管的优化效果，本文对优化后的不锈钢 409 排气歧管不同位置的温度进行测量，通过现场试验对仿真结果进行验证。温度测量示意图如图 8 所示。将热电偶通过铜胶带固定于排气歧管表面，使用热电偶对排气歧管空载及负载状态下不同位置的温度进行测量，共测量 5 个位置。试验分 2 组进行，第 1 组试验分别对排气歧管开始运行后空载以及负载状态下的温度进行测量，共测量 6 组数据，测量时间间隔为 3 min；排气歧管停止运行后，进行第 2 组试验，分别对排气歧管熄火时空载以及负载状态下的温度进行测量，共测量 6 组数据，测量时间间隔为3 min。2 组试验的测量结果分别见表 4 和表 5。位置1位置2位置3位置4 位置5图 8温度测量示意图图 6优化后的不锈钢 409 排气歧管空载状态下热变形以及热应力分布情况热变形量/mm0.088 505 Max0.078 6710.068 8370.059 0030.049 1690.039 3360.029 5020.019 6680.009 833 90 Mina）优化后的不锈钢 409 排气歧管空载状态下热变形情况444.71 Max395.32345.93296.53247.14197.75148.3698.96849.5760.184 71 Min热应力/MPab）优化后的不锈钢 409 排气歧管空载状态下热应力分布情况图 7优化后的不锈钢 409 排气歧管负载状态下热变形及热应力分布情况热变形量/mm0.084 751 Max0.075 3340.065 9170.056 50.047 0840.037 6670.028 250.018 8330.009 416 70 Mina）优化后的不锈钢 409 排气歧管负载状态下热变形情况450.67 Max400.63350.58300.54250.49200.45150.4100.3650.3110.265 4 Min热应力/MPab）优化后的不锈钢 409 排气歧管负载状态下热应力分布情况54第 4 期序号位置 1位置 2位置 3位置 4位置 5空载负载空载负载空载负载空载负载空载负载1303.38336.10304.02335.18303.69335.63303.56334.01303.38338.622318.40360.83314.07360.14314.95359.25312.16357.07316.37361.313339.29372.41325.04364.97329.93364.99320.56355.82336.11361.534342.69377.49325.35372.03330.21370.91321.46361.80339.12369.205365.60373.18360.36363.96366.23366.80344.58361.31369.28366.536374.21372.72356.16364.10363.38367.18335.93362.34367.44369.63表 4运行状态下排气歧管温度测量结果从表 4 和表 5 所示的测量结果可以看出，运行状态下，排气歧管的温度大体上逐渐升高，但整体温度上升幅度较小；熄火状态下，排气歧管温度大体上逐渐降低。优化后的不锈钢 409 排气歧管外壁面温度分布情况如图 9 所示。通过 Mechanical 模块导出计算模型所有节点温度，然后求平均值。根据图 3 得出：优化前的碳素钢Q235 排气歧管，试验所测壁面处的平均温度为656.70 K；根据图 9 得出：优化后的不锈钢 409 排气歧管，相应壁面处的平均温度为 322.09 K。由此可知，与优化前的碳素钢 Q235 排气管相比，优化后的不锈钢 409 排气管，壁面温度整体降低。从表 4 的测量结果可知，相应壁面处所测最低温度为 303.38 K，最高温度为 377.49 K，仿真计算结果合理。通过对比可知，优化后的不锈钢 409 排气歧管有效降低了排气歧管的工作温度、减小了排气歧管的工作环境温度梯度，进而减小了排气歧管所承受的热应力。由于优化后的不锈钢 409 排气歧管设计采用全包覆水冷结构的设计思路，在水冷换热的仿真分析过程中，采用恒温热源条件进行极限能力分析。在实际工作过程中，壁面整体温度会快速下降，热流量远小于仿真计算值，可确保排气歧管符合安全条件。冷却水域流场与 2 类边界直接相关，一类是与尾气相互接触的边界壁面，该壁面温度高，主要向冷却水传热，将该类壁面边界条件设定为恒温边界条件，计算过程中无限制供给热量以保证该边界居于高温状态；另一类边界为冷却水与外界空气相互接触的壁面，该类壁面边界实际上存在冷却水向外部环境散热的过程，但计算过程中将该类璧面边界条件定为绝热边界条件，使得冷却水中热量无法通过壁面传到外界环境中，只能将所有热量通过出口由冷却水排出。通过这 2 种壁面边界条件使模型计算处于一种极端条件下，若在“高温壁面恒温+散热壁面绝热”的极端条件下，排气歧管的冷却效果能够满足理想要求，在实际的“高温壁面最高热流密度受限+散热壁面辅助散热”正常条件下，排气歧管不仅可正常工作，而且可适当减少冷却水流量，降低能耗。4结论本文基于 ANSYS Workbench 计算平台，采用Fluent 计算模块分析了排气歧管在工作过程中涉及的尾气排放、固体结构材料之间的传热以及变形等物理过程，对仿真计算后排气歧管的热变形以及热应力分布情况进行了分析，得出如下结论：表 5 熄火状态下排气歧管温度测量结果序号位置 1位置 2位置 3位置 4位置 5空载负载空载负载空载负载空载负载空载负载1353.31371.65334.11361.40338.16364.24330.48359.32351.18369.762349.18366.02334.57355.74338.60358.02331.51353.61347.09366.603343.82361.85333.00353.41334.79355.12330.91351.87343.01362.064340.77359.08332.93352.17333.28353.18331.33350.88340.38358.925338.80356.74333.00351.41334.12352.11331.38350.24339.06356.916338.00355.30333.80350.85334.04351.25331.43343.89338.43355.50图 9优化后的不锈钢 409 排气歧管外壁面温度分布情况温度/K400.554 Max388.603376.653364.702352.752340.802328.851316.901304.95293 MinKK杨焘等：基于 Fluent 的排气歧管热应力仿真分析55小型内燃机与车辆技术第 52 卷撑高度基本无变化，一致性良好，如图 11 所示。台架冷热冲击验证试验结果表明，气缸垫局部支撑优化措施有效。4结论本文的气缸垫局部支撑优化设计对降低气缸体和气缸盖的初始变形、降低变形较大位置的密封筋密封压力，改善密封筋疲劳性能都有积极作用。可以得出以下几点结论：1）气缸垫局部支撑设计需保证强度，只有足够的强度才能保证局部支撑的有效性及持久性，减小气缸体、气缸盖变形量及保护局部支撑附近的密封筋。2）通过有限元分析的方法，可以得出最优局部支撑高度，既能保证密封筋的密封压力，也能保证气缸盖提升量。参考文献1高越，胡斌.汽油发动机气缸垫失效原因分析及设计预防研究J.柴油机设计与制造，2021，27（1）：32-37.2王悦，曹权佐，张志斌，等.某发动机气缸垫密封性的仿真分析J.汽车实用技术，2020，45（23）：108-110.3苗文旱，刘振家，吴春卫，等.国五、国六阶段发动机金属气缸垫的设计J.汽车与新动力，2018（3）：93-96.（收稿日期：2021-10-11）1）相对于碳素钢 Q235，不锈钢 409 的材料强度更高、高温性能更好。在相同的工作状态下，碳素钢Q235 排气歧管的平均变形是不锈钢 409 排气歧管的 2.75 倍左右，所承受的平均热应力是不锈钢 409排气歧管的 1.23 倍左右。2）优化后的不锈钢 409 排气歧管有效减小了排气歧管工作过程中所承受的热应力，提高了排气歧管的工作稳定性。3）优化后的不锈钢 409 排气歧管，试验所测位置温度为 303.38377.49 K，平均温度为 340.43 K，由仿真计算得到的相应壁面平均温度为 348.85 K，试验结果与仿真计算结果基本相符。4）本文所设计的全包覆水冷不锈钢 409 排气歧管，在空载以及负载状态下都可以有效降低排气歧管的壁面温度。参考文献1蔡存朋，武斌，曹正林，等.发动机热机疲劳仿真用高温材料本构模型参数建立及优化技术J.汽车工艺与材料，2020（11）：1-6.2孟祥润.增压发动机排气歧管开裂问题分析与解决措施J.内燃机与配件，2017（9）：91-93.3刘伟.某重型柴油发动机排气歧管热负荷及振动性能研究D.大庆：东北石油大学，2019.4何常明，金华平.基于流固耦合方法排气歧管热机械疲劳分析J.现代车用动力，2018（3）：32-38.5郑习娇，陈吉清，兰凤崇，等.发动机排气歧管流固耦合热特性分析J.机械设计与制造工程，2017，46（12）：13-17.6Alphonse M,Kumar R.Investigation of heat dissipation in ex原haust manifold using computational fluid dynamics J.Inter原national Journal of Ambient Energy,2021,4 2(9):999-1004.7王梓宇.排气歧管隔热罩结构设计与温度场仿真分析研究D.成都：西南交通大学，2020.8袁泉，王晓艳，纪宏波，等.柴油机排气歧管热机疲劳失效仿真研究J.内燃机工程，2020，41（3）：87-92.9王业双.汽车发动机排气歧管材料、成形及其发展J.铸造技术，2018，39（1）：220-225.10 郭全领，赵新武.发动机排气歧管用铸铁材料工作温度J.现代铸铁，2011，31（Z2）：82-85.（收稿日期：2022-03-27）（上接第 50 页）图 11优化后经过耐久试验气缸垫局部支撑高度变化0.100.080.060.040.020局部支撑的检测位置56