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《畢業(yè)論文--某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷分析摘要：本文采用流固耦合的方法對(duì)某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的開發(fā)進(jìn)行驗(yàn)證，指導(dǎo)排氣歧管設(shè)計(jì)工作。對(duì)排氣歧管進(jìn)行熱應(yīng)力仿真計(jì)算，首先用CFD軟件計(jì)算排氣歧管內(nèi)外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，再用有限元的方法計(jì)算了排氣歧管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。通過仿真分析得到排氣歧管設(shè)計(jì)開發(fā)中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)區(qū)域，指導(dǎo)排氣歧管的開發(fā)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：排氣歧管1；流固耦合2；溫度場(chǎng)3；熱應(yīng)力4ThermalloadanalysisofengineexhaustmanifoldAbstract：Thisarticleadoptsthefluid-structurecouplingmethodtoguid
2、ethedesignofaengineexhaustmanifold.Toaccomplishthethermalstresssimulation,firstlywecalculatetheconvectiveheattransfercoefficientandtheenvironmenttemperatureofbothexhaustmanifold’sinsideandoutsidewall.Thenweusethefiniteelementmethodtocalculatethetemperaturefieldandthermalstressofexhaustmanifold.Wit
3、hthermalsimulationanalysis,wefoundthethermalstress’sriskareaandobtainedthedesignguidanceoftheexhaustmanifold.KeyWords:exhaustmanifold;fluid-solid?coupling;temperaturefield;thermalstress1.前言隨著內(nèi)燃機(jī)性能的不斷提高，其零部件的熱負(fù)荷也隨之增大。排氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要受熱件，具有工作熱負(fù)荷大、熱應(yīng)力高等特點(diǎn)，容易產(chǎn)生熱疲勞失效、斷裂等問題。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段，對(duì)排氣歧管進(jìn)行熱應(yīng)力分析是非常有必要的。本
4、文采用流固耦合的方法計(jì)算排氣歧管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，先用FIRE軟件分析排氣歧管內(nèi)外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，再用ABAQUS軟件計(jì)算溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。2.排氣歧管CFD計(jì)算2.1內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算與結(jié)果首先考慮熱負(fù)荷最惡劣的情況,即在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下的工況,通過GTPower軟件計(jì)算得到了發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速6000rpm時(shí)一個(gè)工作循環(huán)下排氣歧管各個(gè)出口的流量、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線，作為Fire軟件的瞬態(tài)邊界條件來計(jì)算排氣歧管的內(nèi)流場(chǎng)，得到排氣歧管內(nèi)壁面的瞬態(tài)對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，再用時(shí)間平均的方法計(jì)算出內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)及環(huán)境溫度，如圖2.1所示。圖2.1內(nèi)壁面換熱系數(shù)和溫度2.2外流場(chǎng)計(jì)算
5、與結(jié)果外流場(chǎng)采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，計(jì)算模型是模擬在實(shí)驗(yàn)室情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)前方布置一個(gè)風(fēng)扇，以2.5kg/s的空氣流量吹向發(fā)動(dòng)機(jī)，（試驗(yàn)數(shù)據(jù)），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，出口采用靜壓即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。同樣考慮熱負(fù)荷最惡劣的情況，即在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下的工況，根據(jù)性能計(jì)算得到排氣歧管外部壁面溫度和換熱系數(shù),如圖2.2所示。圖2.2外壁面換熱系數(shù)和溫度1.排氣歧管溫度場(chǎng)計(jì)算排氣歧管溫度場(chǎng)計(jì)算的控制方程??xk?t?x+??yk?t?y+??zk?t?z=-q（1）熱邊界條件為第一類邊界條件t=g(x,y)和第三類邊界條件-k?t?n=h(t-tf)，和缸蓋接觸壁面給第一類邊界條件，其余面給第三類邊界條件。排氣歧
6、管內(nèi)外壁的熱邊界條件由CFD計(jì)算得到。圖3.1為排氣歧管溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，最高溫度為693.8℃，出現(xiàn)在排氣歧管支管交匯處；最低溫度為190.7℃，出現(xiàn)在與氣缸缸蓋接觸的1號(hào)法蘭盤外側(cè)邊緣，由于此處朝向風(fēng)機(jī)端，故溫度要低于法蘭盤另一側(cè)。由云圖可知，排氣歧管溫度分布不均勻，存在較大溫差，這就必然產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。2號(hào)法蘭盤1號(hào)法蘭盤圖3.1排氣歧管的溫度分布2.排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算4.1排氣歧管有限元模型排氣歧管FE模型如圖4.1所示，計(jì)算網(wǎng)格包括排氣歧管、排氣歧管螺栓和一個(gè)簡化的同排氣歧管相連的部分氣缸蓋網(wǎng)格。其中，排氣歧管與部分缸蓋采用十節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格，螺栓采用一階六面體網(wǎng)格。在計(jì)算中，建
7、立了螺栓和排氣歧管、排氣歧管和氣缸蓋間的接觸邊界條件。計(jì)算中設(shè)定圖4.1中的端面A為固定約束，由于計(jì)算對(duì)象為排氣歧管，所以氣缸蓋的過約束對(duì)其計(jì)算影響不大。A圖4.1排氣歧管模型4.2排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算模型為了分析熱負(fù)荷對(duì)排氣歧管熱應(yīng)力、熱變形的影響，本文計(jì)算了排氣歧管只在溫度場(chǎng)作用下的熱應(yīng)力、熱變形。其基本方程為：δ=K{Rt}（2）σ=DBδ-ε0（3）式中，K為總體剛度矩陣；D為彈性矩陣；B為應(yīng)變矩陣；σ為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力矩
