CN106844898A - 排气歧管热疲劳寿命的检测方法 - Google Patents

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贺永刚
黄昌瑞
李振华
李志广
郑宗琦
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Abstract

一种排气歧管热疲劳寿命的检测方法，其技术要点是，包括以下步骤：步骤1)通过发动机性能仿真软件GT‑Power创建发动机一维模型；步骤2)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；步骤3)利用CFD仿真软件Star CCM+得出排气歧管壁面换热系数和流体温度分布；步骤4)将上一步得到的温度场数据映射到有限元分析软件Abaqus中；步骤5)将热强度模型再次输入到有限元分析软件Abaqus中；步骤6)基于等效应变法，得到循环滞后曲线的平均应力和应变，判定排气歧管的危险区域；步骤7)利用Manson‑Coffin法得到危险区域疲劳寿命；步骤8)依据10%规律法Nf ’=10%Nf将上一步骤得到的寿命进行缩放，需要进行设计优化。该模拟方法接近排气歧管的实际工况，结果比较准确且操作简单，极大地节约了开发成本和周期。

Description

排气歧管热疲劳寿命的检测方法
技术领域
本发明涉及内燃机的排气歧管仿真技术领域，具体说是一种排气歧管热疲劳寿命的检测方法。
背景技术
汽车发动机排气歧管零件工作时承受着高温的排气流冲击，材料温度会达到很高，在不同的工况下，排气歧管材料的温度在400~800℃之间变化，使得排气歧管极易因热疲劳而发生开裂等故障。现有的排气歧管耐久性能的验证大多是通过发动机台架冷热冲击试验来完成的，试验所用的样件多是软模具或手工加工制成的，一旦试验过程中零件出现失效故障，需要进行设计优化、修改模具或重新开模，这种零件开发验证模式会造成极大地资源浪费，同时也会延长开发周期。随着CAE仿真模拟技术引入到汽车开发领域，此时需要一种能够模拟验证排气歧管寿命的仿真方法，来降低开发成本和周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种排气歧管热疲劳寿命的检测方法，通过仿真的方法可以模拟出排气歧管的热疲劳寿命，该模拟方法接近排气歧管的实际工况，结果比较准确且操作简单，极大地节约了开发成本和周期。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该排气歧管热疲劳寿命的检测方法，其技术要点是，包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；
步骤3)利用CFD仿真软件Star CCM+得出排气歧管壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件，检测输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤4)将上一步得到的温度场数据映射到有限元分析软件Abaqus中，对排气歧管总成进行热强度仿真分析，预估排气歧管的温度场和应力应变，作为下一步的热强度模型；
步骤5)将热强度模型再次输入到有限元分析软件Abaqus中，模拟发动机台架冷热冲击试验工况对排气歧管进行循环的热疲劳预估，冷热冲击试验的工况为发动机怠速温度—全速全负荷温度—发动机怠速温度的循环模式，单循环的周期为1min-30min-5min。将这一循环规则输入到Abaqus软件中，经过多次循环得到排气歧管稳定的应力应变曲线；
步骤6)基于等效应变法，得到循环滞后曲线的平均应力和应变，判定排气歧管的危险区域；
步骤7)利用Manson-Coffin法得到危险区域疲劳寿命；
本发明的优点及有益效果是：本发明可实现理论和实际的高度结合，首先发动机一维仿真模拟发动机工作情况得到排气歧管进出口边界条件；其次，利用CFD换算得到排气歧管内壁面稳态对流换热系数和温度环境；再次，利用有限元仿真软件模拟排气歧管的真实工作环境，得出排气歧管的温度场和应力应变；接着，模拟发动机台架冷热冲击试验工况对排气歧管进行热疲劳预估；最后，根据热疲劳预估结果对排气歧管的危险区域进行寿命估算，为排气歧管设计和优化提供理论依据。在排气歧管设计前期就可以对设计方案的强度和寿命进行评价，与实际情况非常相符，极大的降低了开发风险、成本和周期。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合图1，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该排气歧管热疲劳寿命的检测方法包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；
步骤3)利用CFD仿真软件Star CCM+得出排气歧管壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件，检测输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤4)将上一步得到的温度场数据映射到有限元分析软件Abaqus中，对排气歧管总成进行热强度仿真分析，预估排气歧管的温度场和应力应变，作为下一步的热强度模型；
步骤5)将热强度模型再次输入到有限元分析软件Abaqus中，模拟发动机台架冷热冲击试验工况对排气歧管进行循环的热疲劳预估，冷热冲击试验的工况为发动机怠速温度—全速全负荷温度—发动机怠速温度的循环模式，单循环的周期为1min-30min-5min。将这一循环规则输入到Abaqus软件中，经过多次循环得到排气歧管稳定的应力应变曲线；
步骤6)基于等效应变法，得到循环滞后曲线的平均应力和应变，判定排气歧管的危险区域；
步骤7)利用Manson-Coffin法得到危险区域疲劳寿命。

Claims (1)

1.一种排气歧管热疲劳寿命的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；
步骤3)利用CFD仿真软件Star CCM+得出排气歧管壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件，检测输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤4)将上一步得到的温度场数据映射到有限元分析软件Abaqus中，对排气歧管总成进行热强度仿真分析，预估排气歧管的温度场和应力应变，作为下一步的热强度模型；
步骤5)将热强度模型再次输入到有限元分析软件Abaqus中，模拟发动机台架冷热冲击试验工况对排气歧管进行循环的热疲劳预估，冷热冲击试验的工况为发动机怠速温度—全速全负荷温度—发动机怠速温度的循环模式，单循环的周期为1min-30min-5min，将这一循环规则输入到Abaqus软件中，经过多次循环得到排气歧管稳定的应力应变曲线；
步骤6)基于等效应变法，得到循环滞后曲线的平均应力和应变，判定排气歧管的危险区域；
步骤7)利用Manson-Coffin法得到危险区域疲劳寿命；
步骤8)依据10%规律法Nf ’=10%Nf将上一步骤得到的寿命进行缩放，并与2000个循环进行比较，若寿命<2000则认为该危险区域热疲劳寿命不符合要求，需要进行设计优化。
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