CN102855347A - 一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法，缩短开发周期，降低开发成本，为发动机在数字化模型阶段对发动机排气歧管机械性能和结构可靠性方面进行虚拟仿真。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与应力场进行求解计算，得到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，螺柱力矩变化、排气歧管法兰面密封压力，从而能更好的对发动机排气歧管结构进行设计。
Description
技术领域
本发明涉及发动机的排气系统，具体涉及一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法。
背景技术
发动机排气系统对发动机整体性能有举足轻重的作用，排气歧管连接缸盖排气道与排气系统，负责及时畅通地把发动机的高温排气传递给后续的排气系统，长期承受高温气体的侵蚀，其工作环境相当恶劣。排气歧管的温度大小及分布对其热应力，热应变有着非常重要的影响，进而影响其工作可靠性。快速准确的对其进行温度场计算分析，通过热应力，热应变的计算，找出排气歧管可能出现热裂的区域，对排气歧管结构设计及材料选择有着重要的意义，不仅降低了产品的开发成本，也很大程度上缩短了产品的开发周期，采用本文所述的排气歧管有限元分析方法后，就能利用计算机的强大功能，对排气歧管温度场、应力场进行求解计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法，缩短开发周期，降低开发成本，为发动机在数字化模型阶段对发动机排气歧管机械性能和结构可靠性方面进行虚拟仿真。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与应力场进行求解计算，得到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，螺柱力矩变化、排气歧管法兰面密封压力，从而能更好的对发动机排气歧管结构进行设计。
一维热力学boost计算，边界条件（进口流量，温度；出口压力，温度）；根据一维热力学计算得到的边界，计算工作循环下排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；划分有限元网格；燃气壁面使用估计值来计算初步排气歧管温度场分布，然后将计算温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场趋于稳定；根据温度场计算结果，求解排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率；结果评价不断优化结构。
具体技术方案如下：
一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法，采用如下步骤：
（1）计算额定工况下排气歧管进出口处边界条件；
（2）根据步骤（1）中计算得到的边界，计算一工作循环下排气歧管内流场，得到歧管内壁面的温度及对流换热系数；
（3）根据排气歧管装配模型划分有限元网格
（4）计算排气歧管温度场分布；
（5）根据温度场计算结果，求解排气歧管由冷态装配、工作温度、降温形成的试验周期内排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率。
进一步地，进一步包括如下步骤：
（6）对结果进行评价；
（7）进一步优化排气歧管结构。
进一步地，步骤（4）具体为：加入由CFD计算出的歧管内流场边界与近似经验边界计算整机温度场：部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，流体场与排气歧管结构场耦合计算求解排气歧管结构温度场。
进一步地，步骤（1）中所述边界条件为进口流量，温度，出口压力以及温度。
进一步地，步骤（1）中采用一维热力学boost进行计算，步骤（2）中采用3维CFD（Fire）进行计算。
进一步地，步骤（4）计算排气歧管温度场分布包括：部分缸盖加入燃烧边界、冷却液及油路边界；歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；歧管外壁面与外流场热辐射边界；发动机一工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。
进一步地，步骤的（5）中，具体包括：计算排气歧管外壁面与外流场的热辐射；在歧管内流场热边界计算中，燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定。
进一步地，步骤（6）中具体包括：按照试验周期内形成的工况计算，并按照等效塑性应变评判排气歧管可能出现热裂的部位。
进一步地，步骤（3）中进一步包括：建立有限元模型，采用二阶四面体单元进行网格划分；CFD计算燃烧边界和壁面冷却液边界；对整机进行有限元网格划分，采用二阶四面体单元，尽量保证离散模型与连续模型的贴合度。
进一步地，步骤（6）对排气歧管热机械强度分析结果评价具体包括：排气歧管温度场、冷/热态下排气歧管法兰面密封性、螺栓预紧力变化、等效塑性应变；根据经验值对相应结果进行评价。
其中，建立有限元模型加入计算边界耦合求解，具体包括：
采用二阶四面体网格建模，关键部位如歧管易发生热裂区域、歧管垫片密封筋处，网格需细化，歧管处网格尽量保证与连续模型的一致性；
部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，求得排气歧管温度场。
加入装配载荷求解冷态应力分布；
将求得的冷态应力场与温度场耦合求得热应力及变形；
将耦合温度场降低至室温。
根据试验工况组合如上三种工况
因排气歧管承受高温载荷，单次循环中载荷强度较大，循环周期相对较短，采用低周疲劳进行评判，计算结果中关注等效塑性应变。
对排气歧管热机械强度分析结果评价，具体包括：
排气歧管温度场、冷/热态下排气歧管法兰面密封性、螺栓预紧力变化、等效塑性应变。根据经验值对相应结果进行评价。
与目前现有技术相比，通过本发明中的技术方案，大大的缩短了产品开发周期，在样件的试制以前，可以在虚拟环境中分析发动机排气歧管的可靠性能，提高了开发效率，节省大量的试验成本，为发动机排气歧管的设计指明了方向。
并且提高温度场计算与热变形计算精确度，更高效准确地进行结构计算与优化，满足发动机日益缩短的开发周期需求，节省研发费用；排气歧管温度场经过多轮循环计算提高了温度计算精度，使温度场结果更吻合实际工况，从而可以更精确对排气歧管在热变形下的塑性应变与密封性进行评估，指导排气歧管开发。
附图说明
图1是实施例中排气歧管热机械强度的有限元分析方法的流程图；
图2是实施例中排气歧管内流场循环计算的流程流程图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
排气歧管热机械强度的有限元分析方法，包括如下步骤：
步骤a：一维热力学boost计算得到额定工况下排气歧管进出口处边界条件（进口流量，温度；出口压力，温度）
步骤 b：根据一维热力学计算得到的边界，由3维CFD（Fire）计算一工作循环下排气歧管内流场，得到歧管内壁面的温度及对流换热系数。
步骤 c：根据排气歧管装配模型划分有限元网格
步骤d：计算排气歧管温度场分布：部分缸盖加入燃烧边界、冷却液及油路边界（经验值）；歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；歧管外壁面与外流场热辐射边界（经验值）；发动机一工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。
步骤d：根据温度场计算结果，求解排气歧管由冷态装配、工作温度、降温形成的试验周期内排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率。
步骤e：结果评价不断优化结构。
步骤的d中，具体包括：关注排气歧管外壁面与外流场的热辐射。在歧管内流场热边界计算中，燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定。
步骤e中，具体包括：按照试验周期内形成的工况计算，并按照等效塑性应变评判排气歧管可能出现热裂的部位。
另外优选实施例：排气歧管热机械强度的有限元分析方法：
步骤001：一维热力学计算额定转速下排气歧管进出气口瞬态边界条件，包含进口流量温度，出口压力和温度。
步骤002：根据热力学计算结果，CFD计算排气歧管一工作周期内瞬态内流程，对其进行平均得到排气歧管内壁面温度与对流换热系数。
步骤003：建立有限元模型，采用二阶四面体单元进行网格划分，
CFD计算燃烧边界和壁面冷却液边界；
本实施例中对整机进行有限元网格划分，采用二阶四面体单元，尽量保证离散模型与连续模型的贴合度。计算中关键部件材料为温度相关塑性材料，且垫片力学属性也为非线性，诸多因素导致计算收敛难度加大。为保证计算顺利进行，建议接触对区域网格一致。
步骤004：加入由CFD计算出的歧管内流场边界与近似经验边界计算整机温度场：部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，流体场与排气歧管结构场耦合计算求解排气歧管结构温度场。
歧管温度场需经过多轮计算，第一轮的燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定。
步骤005：计算装配载荷下歧管冷态应力场
步骤006: 按工作循环耦合温度场与冷态应力场
步骤007: 计算结果分析
排气歧管热机械强度有限元分析结果主要包含下面几个方面：
1、 冷态下排气歧管法兰面的密封性能。
2、 排气歧管温度场分布
3、排气歧管工作周期下双头螺柱预紧力变化率
4、排气歧管工作周期下等效塑性应变
如果结果不能满足要求，需要对排气歧管结构进行优化。然后，重新执行上述步骤，对优化后的排气歧管结果进行评估，直到满足要求。
通过本发明的技术方案，大大缩短了产品开发周期，在发动机排气歧管开发样件试制前，利用计算机仿真技术，对排气歧管的运行工况进行模拟，提高了开发效率，节省大量费用，为排气歧管的开发设计提供了有力的指导作用。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法，其特征在于，采用如下步骤：
（1）计算额定工况下排气歧管进出口处边界条件；
（2）根据步骤（1）中计算得到的边界，计算一工作循环下排气歧管内流场，得到歧管内壁面的温度及对流换热系数；
（3）根据排气歧管装配模型划分有限元网格
（4）计算排气歧管温度场分布；
（5）根据温度场计算结果，求解排气歧管由冷态装配、工作温度、降温形成的试验周期内排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率。
2.如权利要求1所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：
（6）对结果进行评价；
（7）进一步优化排气歧管结构。
3.如权利要求1或2所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（4）具体为：加入由CFD计算出的歧管内流场边界与近似经验边界计算整机温度场：部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，流体场与排气歧管结构场耦合计算求解排气歧管结构温度场。
4.如权利要求1-3中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（1）中所述边界条件为进口流量，温度，出口压力以及温度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（1）中采用一维热力学boost进行计算，步骤（2）中采用3维CFD（Fire）进行计算。
6.如权利要求1-5中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（4）计算排气歧管温度场分布包括：部分缸盖加入燃烧边界、冷却液及油路边界；歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；歧管外壁面与外流场热辐射边界；发动机一工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。
7.如权利要求1-6中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤的（5）中，具体包括：计算排气歧管外壁面与外流场的热辐射；在歧管内流场热边界计算中，燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定。
8.如权利要求2-7中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（6）中具体包括：按照试验周期内形成的工况计算，并按照等效塑性应变评判排气歧管可能出现热裂的部位。
9.如权利要求1-8中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（3）中进一步包括：建立有限元模型，采用二阶四面体单元进行网格划分；CFD计算燃烧边界和壁面冷却液边界；对整机进行有限元网格划分，采用二阶四面体单元，尽量保证离散模型与连续模型的贴合度。
10.如权利要求1-9中任一项所述的排气歧管热机械强度有限元分析方法，其特征在于，步骤（6）对排气歧管热机械强度分析结果评价具体包括：排气歧管温度场、冷/热态下排气歧管法兰面密封性、螺栓预紧力变化、等效塑性应变；根据经验值对相应结果进行评价。
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