张超[1]，雷蕾[2]，姚炜[3]，朱凌云[4]
（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥）
[摘要]为了避免增压汽油机排气歧管出现断裂故障，在其开发过程中需要对其进行分析。本文利用流固耦合方法来分析排气歧管的温度场分布、热应力分布以及高周疲劳安全系数。结果表明：耦合计算包括一维性能计算、三维CFD计算及结构计算；排气歧管最高温度在材料的安全温度范围内；排气歧管高周疲劳安全系数在评价限制范围内；在排气歧管的设计开发阶段，对其进行流固耦合分析，可以避免排气歧管出现热裂等故障。
关键词：耦合，热负荷，热应力，高周疲劳
主要软件：A VL BOOST, A VL FIRE
The Fluid-solid Coupling Analysis for the Gasoline Exhaust Manifold Zhang Chao[1]，Lei Lei[2]，Yao Wei[3]，Zhu Lin-yun[4]
（Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd.He Fei）
[Abstract] In order to avoid the turbo-gasoline exhaust manifold are broken, it need to analysis in its development process. The temperature field、heat stress distribution and the high cycle fatigue safety factor of the exhaust manifold were analyzed using the fluid-solid coupling in this paper. The results show that: the coupling calculation include the 1D performance calculation、3D CFD calculation and structure calculation; the highest temperature of the exhaust manifold were in the safe range of the materials; the high cycle fatigue safety factor of the exhaust manifold were in the range of the evaluation limit; the exhaust manifold were made coupling analysis in the development of the designing, it can avoid hot cracking breakdown.
Keywords:coupling, heat loading, thermal stress, high cycle fatigue
Main soft：A VL BOOST, A VL FIRE
1.前言
随着增压型汽油机的比例不断增加，汽油机功率不断增加，汽油机传热及热负荷的研究成了汽油机开发过程中的关键因素之一[1][2]。排气歧管的工作环境极其恶劣。排气歧管是汽油机的主要受热部件，工作热负荷大[3][4]。在一个工作循环中，排气温度是不断变化的，排气歧管会产生疲劳热应力[5]。在汽油机可靠性试验中，经常会发生排气歧管断裂故障[6]。
为了避免此类故障的发生，在汽油机的设计开发过程中，需要对其进行研究，对排气歧管进行流固耦合分析已经成为避免排气歧管断裂故障的重要手段之一[7~9]。
本文采用流固耦合方法来计算排气歧管的温度场、热应力场及高周疲劳安全系数。首先，利用BOOST进行一维性能分析，得到进出口位置的质量流量、压力及温度边界。其次，用FIRE软件进行三维分析，通过排气歧管内流场瞬态分析，得到其瞬态换热系数和温度，
再对其进行时域平均，得到排气歧管内壁面稳态换热系数和温度[10]；模拟汽油机台架试验的外部流场环境，通过排气歧管外流场稳态分析，得到排气歧管外壁面的换热系数和温度[11]。最后，用Abaqus 软件计算排气歧管的温度场、热应力及高周疲劳安全系数。评价排气歧管的温度分布以及高周疲劳安全系数，综合两者判断排气歧管是否会发生断裂风险。
2. 一维性能分析
图1是该汽油机的一维热力学分析模型。环境气体从边界SB1吸入，通过管1到空滤器CL1，再通过管2进入涡轮增压器TC1，出来再通过管3导向中冷器CO1，再经连接管4进入进气歧管。管子5~8代表进气歧管和进气道，通过进气道将空气引到气缸C1-C4。管子9~12代表排气歧管和排气道，排出的废气进入增压器TC1，经管17连接到催化器CAT1，经SB2流向整车排气系统。
图1 一维模型
由一维性能计算得到排气歧管进出口位置在一个循环的瞬态气体质量流量、气体压力及气体温度，这些边界条件作为三维CFD 计算的输入。
3. 三维CFD 分析
3.1 CFD 瞬态计算结果时域平均
在发动机工作循环内进行瞬态计算，每一个曲轴转角时刻都会有一个计算结果，但是热应力计算只需要一个稳态的热边界数值。因此，瞬态分析的计算结果不能直接赋予热应力计算，首先要对CFD 瞬态计算结果进行时域平均。
平均换热系数：
()()ϕϕϕϕϕd h x x ⋅-=⎰21121h （1） 平均有效温度：
()()()()()ϕϕϕϕϕd T h h T X G x x x G ⋅⋅⋅-=⎰21121 （2）
其中，ϕ曲轴转角[度]；h 为对流换热系数[W/m 2K]; T 为温度[K]。
3.2 内流场CFD 分析
（1）内流场网格处理
计算利用Fire 软件的自带的Fame 工具划分网格，网格的主尺寸为1.5mm ，局部加密。
为了更加精确地模拟排气歧管的工况，排气歧管内流场计算模型增加了各缸排气道模型以及与增压器和废气旁通阀相连的出口模型。出口边界沿法线方向延长了20层。最终的网格数目约为55万，98%为六面体，其余为四面体，五面体等的混合网格。排气歧管内流场网格见图2。
图2 排气歧管内流场网格
（2）瞬态计算时域平均结果
排气歧管内流场瞬态计算的目的主要在于为排气歧管的结构计算提供边界，共计算了五个循环，即0°~3600°曲轴转角。前四个循环为了计算收敛。取最后一个循环中气体的温度和换热系数平均值作为结构计算的边界，如图3（a）、（b）所示。
计算完毕后，得到平均温度为1170K，平均换热系数为453 W/（m2K）。然后将计算结果直接映射于有限元网格上，作为有限元计算的热边界输入。
（a）温度（b）换热系数
图3 排气歧管内流场CFD计算边界
3.3 外流场CFD分析
（1）外流场网格处理
外流场主要是稳态计算，模型包括排气歧管、隔热罩、增压器、催化器等，见图4(a)。为了模拟实验室的环境，外流场的计算域设定为3倍发动机尺寸，见图4（b），参考风扇的鼓风速度，设定外流场入口的风速为8m/s。
（a）模型内部（b）模型外部
图4 排气歧管外流场网格
（2）稳态计算结果
稳态计算结束后，得到排气歧管外壁面平均温度为796K，平均换热系数为119W/（m2K）。然后将计算结果直接映射于有限元网格上，作为有限元计算的热边界输入。计算得到的排气歧管外壁面平均温
度和平均换热系数分别见图5（a）、（b）。
（a）温度（b）换热系数
图5 排气歧管外流场CFD计算边界
4. 有限元分析
4.1 CFD计算结果与有限元模型耦合
映射是指CFD瞬态计算与热应力计算之间，在流固交界面上热数据的交换，它实现了FIRE与Abaqus之间的流固耦合。
流固耦合的思路，将排气歧管内外流场网格模型的面网格导出inp格式（包括部件节点、单元信息等）提供给CFD分析工程师，由CFD分析工程师提取出排气歧管内外流场的换热系数和温度。最后由结构分析工程师将换热系数和温度边界作为输入，进行排气歧管热应力计算。
有限元分析模型包括半个缸体、半个缸盖、垫片、排气歧管、涡壳、压壳、增压器中间体、执行器、CRV阀及相关螺栓等。使用Hypermesh对模型进行网格划分。有限元模型如图6所示。
图6 有限元网格图
4.2 温度场分析
排气歧管内壁面和外壁面在全速全负荷工况下的温度场分布如图7所示。从图中可以看出，排气歧管的最高温度为865℃，其位于排气歧管总管的内壁面凸起处。该排气歧管的材料为D5S，该材料的温度限值为900℃。因此，排气歧管的最高温度小于该材料的温度限值，满足要求。
图7 排气歧管温度分布
4.3 热应力分析
图8为排气歧管在全速全负荷工况下所产生的热应力云图，从图中可以看出，排气歧管的1、4缸支管与歧管法兰面外侧过渡处的热应力值较大，1缸支管的最大值达到272MPa，4缸支管的热应力最大值达到297MPa。由于排气歧管处在高温的工作环境中，其热应力值通常都较大，这些数值仅供参考，一般不做评价。
图8 排气歧管热应力分布
4.4 高周疲劳安全系数计算结果
江淮汽车网图9为排气歧管高周疲劳安全系数云图，从图中可以看出，排气歧管的最小高周疲劳安全系数为1.14，出现在排气总管靠近增压器处，大于评价限值1.1，满足疲劳强度要求。
图9 排气歧管高周疲劳安全系数
5. 总结
通过以上分析，得出以下结论：
（1）排气歧管耦合包括以下流程，一维性能计算为三维CFD计算提供边界条件，三维CFD计算为结构计算提供换热系数和温度边界，结构计算得出排气歧管内外壁面温度分布、热应力分布及高周疲劳安全系数。
（2）排气歧管在全速全负荷工况下的最高温度在其材料的安全温度范围内。
（3）排气歧管高周疲劳安全系数最小值1.14，大于评价限值1.1，满足疲劳强度要求。
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