CN111664967A - 一种排气歧管热应力评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车发动机试验技术领域，具体涉及一种排气歧管热应力评估装置及方法，该方法包括以下步骤：安装该评估装置至第一方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第一应变；安装该装置至第二方案排气歧管，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第二应变；若第一应变大于第二应变的大小，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。通过较低温度条件下应用通用应变片的测力，间接反映高温排气歧管应力水平对比的方式，能够解决现有技术中对发动机排气歧管热应力测试时，测试成本高的问题。

Description

一种排气歧管热应力评估装置及方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机试验技术领域，具体涉及一种排气歧管热应力评估装置及方法。

背景技术

发动机排气歧管开发中，热变形、热应力开裂是常见故障，通常通过材料、结构形式的调整与优化提升来解决故障问题，为此往往需要对比不同设计方案的排气歧管热应力水平差异，从而为设计改善趋势判断提供依据。

发动机排气歧管热应力测试是热应力评估的有效途径，行业内普遍采用高温应变测量技术，如：高温应变片。通过测点应力的测试结果，修正排气歧管温度场仿真模型，在相关约束边界条件下模拟热负荷，获得应力场分布结果，从而确定应力水平评估。

但是运用高温应变片测量高温应力结果进行不同排气歧管应力水平比较的时存在以下不足：高温应变片价格昂贵，5000-12000元/片，为此在多方案排气歧管水平时，需要采用大量的高温应变片，为此测试存在成本高的问题；各方案排气歧管在布置高温应变片时，由于安装方位及安装质量的一致性或多或少存在差异，从而会引入热应力测试误差，带来影响热应力测试质量问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种排气歧管热应力评估装置及方法，能够解决现有技术中对发动机排气歧管热应力测试时，测试成本高的问题。

一方面，本发明提供一种排气歧管热应力评估装置，其包括：

测力杆，其设有进水口和出水口，所述测力杆内设有连通所述进水口和出水口的降温通道；

两个连接短节，其分别设于所述测力杆两端，用于与排气歧管连接固定；

温度传感器，其设于检测测力杆上；

给排水装置，其用于向所述进水口给水，从所述出水口排水。

应力检测装置，其设于所述测力杆上，用于检测所述测力杆的应力变化值。

在上述技术方案的基础上，所述给排水装置包括：

进水管，其与所述进水口连通；

出水管，其与所述出水口连通；

给水泵，其与所述进水管连通；

调节阀，其设于所述进水管上，用于调节进水管的给水量。

在上述技术方案的基础上，所述调节阀为远程控制比例阀。

在上述技术方案的基础上，所述应力检测装置包括两片或者四片应变片，其分别对称设于所述测力杆两侧。

在上述技术方案的基础上，所述测力杆和连接短节采用焊接的方式连接，并且采用相同的焊接工艺。

在上述技术方案的基础上，所述连接短节内设有用于与所述排气歧管连接的螺纹通孔。

在上述技术方案的基础上，所述温度传感器居中设置于所述测力杆上。

另一方面，本发明提供一种采用如权利要求所述的一种排气歧管热应力评估装置实施的方法，其特征在于，包括以下步骤：

安装该评估装置至第一方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第一应变；

安装该装置至第二方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第二应变；

若第一应变大于第二应变的大，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。

在上述技术方案的基础上，所述利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第一应变，具体包括：

利用温度传感器和应力检测装置记录测力杆第一检测温t₁度条件下的第一检测应变ε_t1；

调节给排水装置的给水量，记录测力杆第二检测温度t₂条件下的第二检测应变ε_t2；

根据公式ε_T＝ε_t1+(ε_t1-ε_t2)/(t₂-t₁)×(T-t₁)获得设定统一温度对应的第一应变，其中，ε_T为第一应变，T为设定统一温度。

在上述技术方案的基础上，所述的利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第二应变，具体包括：

利用温度传感器和应力检测装置记录测力杆第一检测温t₃度条件下的第一检测应变ε_t3；

调节给排水装置的给水量，记录测力杆第二检测温度t₄条件下的第二检测应变ε_t4；

根据公式ε_T＝ε_t3+(ε_t3-ε_t4)/(t₄-t₃)×(T-t₃)获得设定统一温度对应的第二应变，其中，ε_T为第二应变，T为设定统一温度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先安装该评估装置至第一方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第一应变；然后安装该装置至第二方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置对测力杆降温，利用温度传感器和应力检测装置获取测力杆设定统一温度下的第二应变；若第一应变大于第二应变的大，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。通过本技术方案可以将通过给排水装置测力杆的温度降低到较低水平，为使用常规应变片提供条件，使用适用温度较低的温度传感器和应力检测装置来获取测力杆的温度和应变。该装置操作简便，可以保证发动机多工况、多种样件条件下测试一致性比较，从而改善评估的测试质量。虽然不能获得排气歧管绝对热应力结果，但可以在较低成本与快捷条件下获得相对趋势判断结果，并可节省测试成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种排气歧管热应力评估装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种排气歧管热应力评估方法的流程图；

图3为本发明实施例中某11L发动机排气歧管不同结构方案热损伤与变形仿真结果对比图。

图中：1、测力杆；2、连接短节；3、温度传感器；4、给排水装置；41、进水管；42、出水管；43、调节阀；5、应力检测装置；51、应变片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。图1为本发明实施例中一种排气歧管热应力评估装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供一种排气歧管热应力评估装置，其包括：测力杆1，其设有进水口和出水口，测力杆1内设有连通进水口和出水口的降温通道；还包括两个连接短节2，其分别设于测力杆1两端，用于与排气歧管连接紧固；还包括温度传感器3，其设于检测测力杆1上；还包括给排水装置4，其用于向进水口给水，从出水口排水；还包括应力检测装置5，其设于测力杆1上，用于检测测力杆1的应力变化。

在使用该排气歧管热应力评估的装置时，首先通过两个连接短节2将整个评估装置安装至第一方案排气歧管上，使测力杆1抵持在第一方案排气歧管的待检测部位，运转发动机至测试工况，打开给排水装置4对测力杆1降温，利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第一应变；然后安装该装置至第二方案排气歧管，使测力杆1抵持在第二方案排气歧管的待检测部位，运转发动机至测试工况，打开给排水装置4对测力杆1降温，利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第二应变；若第一应变大于第二应变的大，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。通过本技术方案可以将通过给排水装置4将测力杆1的温度降低到较低水平，为使用常规应变片提供条件，使用适用温度较低的温度传感器3和应力检测装置5来获取测力杆1的温度和应变。该装置操作简便，可以保证发动机多工况、多种样件条件下测试一致性比较，从而改善评估的测试质量。虽然不能获得排气歧管绝对热应力结果，但可以在较低成本与快捷条件下获得相对趋势判断结果，并可节省测试成本。

在一些可选的实施例中，给排水装置4包括：进水管41，其与进水口连通；还包括出水管42，其与出水口连通；还包括给水泵，其与进水管41连通；还包括调节阀43，其设于进水管41上，用于调节进水管41的给水量。

在本实施例中，通过给水泵和进水管41向测力杆1内供水，从出水管42排出，以达到降温的效果。另外，通过调节阀43可调整供水量，从而改变测力杆1的温度，可测得不通温度条件下的测力杆1杆的应变。

在一些可选的实施例中，调节阀43为远程控制比例阀。在本实施例中，远程控制比例阀可远程控制调节阀43的通水量，避免了操作人员需要靠近调节阀43才能进行调节开度，以调节给水的流量。由于排气歧管的温度较高且高速运转，可避免操作人员被烫伤或者机械伤害。

在一些可选的实施例中，应力检测装置5包括两片或者四片应变片51，其分别对称设于测力杆1两侧。在本实施例中，采用两片或者四片应变片51分别设于测力杆1两侧的方式，可使检测到的应力数据更加准确。应变片采用的平衡电桥的原理进行测量，可使输出结果稳定准确。

在一些可选的实施例中，测力杆1和连接短节2采用焊接的方式连接，并且采用相同的焊接工艺。测力杆1和连接短节2采用相同的焊接工连接进行焊接，可使测力杆的检测数据更加准确，更能准确反映排气歧管的应力变化，避免受到测力杆1应力不均衡的影响。

在一些可选的实施例中，连接短节2内设有用于与排气歧管连接的螺纹通孔。在本实施例中，连接短节2设置排气歧管连接的螺纹通孔，在使用时，在排气歧管上设置螺纹孔，可通过螺栓直接与排气歧管连接，可实现有效安装。

在一些可选的实施例中，温度传感器3居中设置于测力杆1上。在本实施例中，温度传感器3居中在测力杆1上，在使用时，测力杆1的中部紧贴排气歧管，温度传感器3居中设置，可使检测的数据更准确，更能反应实际情况。

图2为本发明实施例中一种排气歧管热应力评估方法的流程图，如图2所示，本发明还提供一种排气歧管热应力评估方法，包括以下步骤：

S1：安装该评估装置至第一方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置4对测力杆1降温，利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第一应变；

S2：安装该装置至第二方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置4对测力杆1降温，利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第二应变；

S3：若第一应变大于第二应变的大，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。

通过本方法可以将通过给排水装置4将测力杆1的温度降低到较低水平，为使用常规应变片提供条件，使用适用温度较低的温度传感器3和应力检测装置5来获取测力杆1的温度和应变。通过相同温度下得到的两组排气歧管的应力，对比其应力大小，可以反应两组排气歧管的热应力水平优劣，为设计提供指导意义。该方法操作简便，可以保证发动机多工况、多种样件条件下测试一致性比较，从而改善评估的测试质量。虽然不能获得排气歧管绝对热应力结果，但可以在较低成本与快捷条件下获得相对趋势判断结果，以节省测试成本。

在其他实施例中，也可以将S1步骤和S2步骤调换使用，也可以达到同样的效果。

在一些可选的实施例中，利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第一应变，具体包括：

利用温度传感器3和应力检测装置5记录测力杆1第一检测温度t₁度条件下的第一检测应变ε_t1；

调节给排水装置4的给水速度，记录测力杆1第二检测温度t₂条件下的第二检测应变ε_t2；

根据公式ε_T＝ε_t1+(ε_t1-ε_t2)/(t₂-t₁)×(T-t₁)获得设定统一温度对应的第一应变，其中，ε_T为第一应变，T为设定统一温度。

在一些可选的实施例中，的利用温度传感器3和应力检测装置5获取测力杆1设定统一温度下的第二应变，具体包括：

利用温度传感器3和应力检测装置5记录测力杆1第一检测温t₃度条件下的第一检测应变ε_t3；

调节给排水装置4的给水量，记录测力杆1第二检测温度t₄条件下的第二检测应变ε_t4；

根据公式ε_T＝ε_t3+(ε_t3-ε_t4)/(t₄-t₃)×(T-t₃)获得设定统一温度对应的第二应变，其中，ε_T为第二应变，T为设定统一温度。

在本实施中，通过控制发动机在相同工况下，分别对两种不同的排气歧管进行检测。在检测每一个排气歧管时，记录测力杆1在不同温度下的检测应力，采用差值法可以获得设定统一温度下的两个排气歧管对应的测力杆1的应力值。可以以此作为参数对比，不必为统一温度做对比时，需要不断调整给水流量，来控制测力杆1的温度。

依据该方法可对不同方案的排气歧管进行对比试验。例如某发动机在改善密封性后，由于结构约束加剧使得排气歧管热应力无法释放，造成多台市场车辆出现排气歧管开裂故障，基于该项测试技术验证的热应力改善趋势规律为边界，完善了仿真模型，实现了多结构方案的排气歧管热应力验证。图3为本发明实施例中某11L发动机排气歧管不同结构方案热损伤与变形仿真结果对比图。通过修正的排气歧管中段热仿真模型，利用该方法获得的不同方案排气歧管低周损伤与热塑性应变的仿真验证结果，可见排气歧管热负荷损伤改善明确，实现了准确的排气歧管低周损伤与热塑性应变评估。

通过该方案对其原方案和该进后的方案进行试验对比后，可直观的了解到两种方案排气歧管的热应力水平优劣。由此可见，该技术可以为发动机排气歧管开发、市场故障判断与改善提供有利的支持，具备工程应用价值。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，其包括：

测力杆(1)，其设有进水口和出水口，所述测力杆(1)内设有连通所述进水口和出水口的降温通道；

两个连接短节(2)，其分别设于所述测力杆(1)两端，用于与排气歧管连接固定；

温度传感器(3)，其设于检测测力杆(1)上；

给排水装置(4)，其用于向所述进水口给水，从所述出水口排水。

应力检测装置(5)，其设于所述测力杆(1)上，用于检测所述测力杆(1)的应力变化值。

2.如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，所述给排水装置(4)包括：

进水管(41)，其与所述进水口连通；

出水管(42)，其与所述出水口连通；

给水泵，其与所述进水管(41)连通；

调节阀(43)，其设于所述进水管(41)上，用于调节进水管(41)的给水流量。

3.如权利要求2所述的一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，所述调节阀(43)为远程控制比例阀。

4.如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，所述应力检测装置(5)包括两片或者四片应变片(51)，其分别对称设于所述测力杆(1)两侧。

5.如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，所述测力杆(1)和连接短节(2)采用焊接的方式连接，并且采用相同的焊接工艺。

6.如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估装置，其特征在于，所述连接短节(2)内设有用于与所述排气歧管连接的螺纹通孔。

7.如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估的装置，其特征在于，所述温度传感器(3)居中设置于所述测力杆(1)上。

8.一种采用如权利要求1所述的一种排气歧管热应力评估装置实施的方法，其特征在于，包括以下步骤：

安装该评估装置至第一方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置(4)对测力杆(1)降温，利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)获取测力杆(1)设定统一温度下的第一应变；

安装该装置至第二方案排气歧管，运转发动机至测试工况，打开给排水装置(4)对测力杆(1)降温，利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)获取测力杆(1)设定统一温度下的第二应变；

若第一应变大于第二应变的大，则第一方案排气歧管热应力水平优于第二方案排气歧管热应力水平，若第一应变小于第二应变的大小，则第二方案排气歧管热应力水平优于第一方案排气歧管热应力水平。

9.如权利要求8所述的一种排气歧管热应力评估的装置实施评估的方法，其特征在于：所述利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)获取测力杆(1)设定统一温度下的第一应变，具体包括：

利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)记录测力杆(1)第一检测温t₁度条件下的第一检测应变ε_t1；

调节给排水装置(4)的给水量，记录测力杆(1)第二检测温度t₂条件下的第二检测应变ε_t2；

根据公式ε_T＝ε_t1+(ε_t1-ε_t2)/(t₂-t₁)×(T-t₁)获得设定统一温度对应的第一应变，其中，ε_T为第一应变，T为设定统一温度。

10.如权利要求8所述的一种排气歧管热应力评估的装置实施评估的方法，其特征在于：所述的利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)获取测力杆(1)设定统一温度下的第二应变，具体包括：

利用温度传感器(3)和应力检测装置(5)记录测力杆(1)第一检测温t₃度条件下的第一检测应变ε_t3；

调节给排水装置(4)的给水量，记录测力杆(1)第二检测温度t₄条件下的第二检测应变ε_t4；

根据公式ε_T＝ε_t3+(ε_t3-ε_t4)/(t₄-t₃)×(T-t₃)获得设定统一温度对应的第二应变，其中，ε_T为第二应变，T为设定统一温度。

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