CN104063552A - 一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法，包括以下步骤：A、计算额定工况下排气歧管进出口的边界条件；B、根据边界条件计算工作循环下排气歧管瞬态流畅，得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；C、根据排气歧管装配模型划分有限元网格；D、根据有限元网格及得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数计算排气歧管的温度场分布；E、根据温度场分布求解排气歧管在试验周期内的等效塑性应变分布；F、对等效塑性应变分布进行分析评价；G、对分析评价中不满足设计标准的区域进行结构调整到符合设计标准完成数模导出。采用本发明，在无需重复修改几何体，重复画分网格下，实现排气歧管结构的优化，提高工作效率节约工作时间。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法。
背景技术
发动机排气歧管影响着对发动机整体性能，其与缸盖排气道以及整车的排气系统，长期承受着高温气体的侵蚀，工作环境相当恶劣。排气歧管热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，进而影响其工作的可靠性。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的热裂的区域，从而使产品满足设计目标要求，其可以降低开发成本，很大程度的缩短开发周期。
发明内容
本发明提出了一种简单、高效的发动机排气歧管热应力分析优化设计方法，从而更好的指导发动机排气歧管的设计，以提高开发效率，节省试验成本。。
本发明是这样实现的，一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法，所述方法包括以下步骤：
A、计算额定工况下排气歧管进出口的边界条件；
B、根据边界条件计算工作循环下排气歧管瞬态流畅，得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；
C、根据排气歧管装配模型划分有限元网格；
D、根据有限元网格及得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数计算排气歧管的温度场分布；
E、根据温度场分布求解排气歧管在试验周期内的等效塑性应变分布；
F、对等效塑性应变分布进行分析评价。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤F之后还包括步骤G：
G、对分析评价中不满足设计标准的区域进行结构调整到符合设计标准完成数模分析。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤A中采用一维热力学进行边界条件计算，所述边界条件包括进口流量、出口压力及温度。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤B中采用三维CFD进行计算排气歧管内壁面的温度及对流换热系数。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤D中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；排气歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；排气歧管外壁面与外流场热辐射边界；发动机工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。
本发明的进一步技术方案是：所述试验周期是由冷态装配、工作温度及降温形成。
本发明的进一步技术方案是：依据所述等效塑性应变评价排气歧管出现的热裂部位。
本发明的进一步技术方案是：所述开裂部位通过定义设计变量，定义响应、约束、目标函数及迭代求解进行网格变形优化。
本发明的进一步技术方案是：在结构优化满足设计要求后的几何体数模，将网格文件转化为CAD模型。
本发明的有益效果是：采用本发明所述的排气歧管热应力分析优化方法后，在无需重复修改几何体，重复画分网格下，实现排气歧管结构的优化，提高工作效率节约工作时间。。本发明减少在发动机排气歧管热应力有限元分析优化过程中，减少不断重复修改几何体，不断重复划分网格的方法。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与热应力场进行求解计算,等到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，对结果进行评价，通过设定优化目标，优化参数，在不需不需重新修改几何体，划分网格条件下，对排气歧管的结构进行优化，使其热应力满足设计要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法流程图。
具体实施方式
图1示出了本发明提供的发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法流程图，其详述如下：
步骤S1中，在额定工况下对排气歧管进出口的边界条件进行计算，在计算的过程中采用的是一维热力学进行计算，其中边界条件是指气体在经过进口时的进口流量、进口时的温度、在出口时形成的压力即出口压力及出口位置的压力。
步骤S2中，根据在步骤S1中计算得到的边界条件，计算工作循环下排气歧管瞬态流畅得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；在此过程中采用的是三维CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学, 简称CFD）进行计算排气歧管内壁面的温度及对流换热系数。
步骤S3中，根据排气歧管装配模型划分有限元网格；其中加入由CFD计算出的排气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边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管与内壁场接触表面，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处排气歧管结构的温度场。
步骤S4中，根据有限元网格及得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数计算排气歧管的温度场分布；其中温度场分布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分布，然后将计算的壁面温度值赋予给燃气壁面再次计算，依次循环计算直至排气歧管温度场稳定。
步骤S5中，根据温度场分布求解排气歧管在试验周期内的等效塑性应变分布；所述试验周期是由冷态装配、工作温度及降温形成。及螺栓预紧力预警力矩的变化。
步骤S6中，对等效塑性应变分布进行分析评价。按照实验周期内形成的工况计算，并按照等效塑性应变评价排气歧管可能出现热裂的部位。
步骤S7中，对分析评价中不满足设计标准的区域进行结构调整到符合设计标准完成数模分析；分析结果选取优化区域通过定义设计变量，定义响应、约束、目标函数及迭代求解进行网格变形优化。满足要求后的几何体数模。将网格文件转化为CAD模型。分析的结构确定并定义优化区域，对网格变形进行选择，进一步对几何体网格进行变形，定义设计变量（单元节点的位移），定义响应（等效应变值），定义约束（单元节点的移动方向），定义目标函数（等效塑性应变满足设计值），依次迭代求解，直至等效塑性应变满足设计要求。
本发明提出了一种简单、高效的发动机排气歧管热应力分析优化设计方法，从而更好的指导发动机排气歧管的设计，以提高开发效率，节省试验成本。本发明减少在发动机排气歧管热应力有限元分析优化过程中，减少不断重复修改几何体，不断重复划分网格的方法。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与热应力场进行求解计算,等到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，对结果进行评价，通过设定优化目标，优化参数，在不需不需重新修改几何体，划分网格条件下，对排气歧管的结构进行优化，使其热应力满足设计要求。
采用一维热力学软件计算，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对流换热系数；划分有限元网格；燃气壁面使用预估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，依次循环直至温度场区域稳定；根据温度场计算结果，求解排气歧管的等效塑性应变分布；结果评价，对不满足设计要求的区域进行结构优化，使其满足设计要求。
对此应力集中，应变过大的区域进行结构优化，从而使产品满足设计目标要求，其可以降低开发成本，很大程度的缩短开发周期。采用本文所述的排气歧管热应力分析优化方法后，在无需重复修改几何体，重复画分网格下，实现排气歧管结构的优化，提高工作效率节约工作时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种发动机排气歧管热应力分析及结构优化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、计算额定工况下排气歧管进出口的边界条件；
B、根据边界条件计算工作循环下排气歧管瞬态流畅，得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数；
C、根据排气歧管装配模型划分有限元网格；
D、根据有限元网格及得到排气歧管内壁面的温度及对流换热系数计算排气歧管的温度场分布；
E、根据温度场分布求解排气歧管在试验周期内的等效塑性应变分布；
F、对等效塑性应变分布进行分析评价。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F之后还包括步骤G：
G、对分析评价中不满足设计标准的区域进行结构调整到符合设计标准完成数模导出。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A中采用一维热力学进行边界条件计算，所述边界条件包括进口流量、出口压力及温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B中采用三维CFD进行计算排气歧管内壁面的温度及对流换热系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤D中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；排气歧管外壁面及部分缸盖外壁面加入外流场边界；排气歧管外壁面与外流场热辐射边界；发动机工作循环下排气歧管内流场温度及对流换热系数均值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述试验周期是由冷态装配、工作温度及降温形成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，依据所述等效塑性应变评价排气歧管出现的热裂部位。
8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述开裂部位通过定义设计变量，定义响应、约束、目标函数及迭代求解进行网格变形优化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在结构优化满足设计要求后的几何体数模，将网格文件转化为CAD模型。
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