CN114459941B - 一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法，涉及排气系统领域，本发明根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是则表示该位置处对应的静子件存在开裂风险，避免了目前静子件抗开裂性能的验证方法中在重新设计静子件装配体结构后需重复进行热冲击试验所导致的产品开发周期长、研发成本高的问题。

Description

一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统

技术领域

本发明涉及排气系统领域，尤其涉及一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统。

背景技术

汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，增压器，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。排气系统工作环境严苛，在发动机工作循环中承受着冷热交变的载荷。对于柴油发动机排气温度最高可达750℃，汽油发动机则最高可达950℃。排气系统在安装应力和冷热交变的温度载荷耦合作用下静子件(排气歧管，涡壳，排气弯管)容易出现开裂而导致废气泄露引发重大的安全问题。通常在汽车研发验证过程中，发动机系统要进行严苛的冷热冲击试验，目的是检验发动机在冷热交替冲击下，发动机各种零件的可靠性及耐久性。热冲击试验是发动机可靠性验证中工况最恶劣的试验项目，对排气系统的抗热机械疲劳性能(即静子件抗开裂的性能)有较高的要求(典型的热冲击试验由热态和冷态阶段组成，对于汽油发动机而言，一般热态对应额定功率点，冷态对应发动机怠速状态)。传统的对排气系统抗热机械疲劳性能验证方法多基于已验证的静子件装配体结构进行改型设计后，通过热冲击试验验证结构的热机械疲劳性能，而试验出现开裂问题后再根据工程经验对静子件装配体结构进行改进优化后再次进行热冲击试验，并以此迭代直至试验通过，其耗时周期长，成本高，而且可能需要多次改进设计才能通过热冲击试验考核。

另外，汽车排气系统主要由三大部分组成：排气歧管，增压器，后处理系统。其中高温燃气废气主要经过排气歧管流道，增压器涡壳流道，排气弯管，排气尾管，后排至大气中。特别的燃气在流经增压器膨胀做功后，温度降低，所以工程中容易出现热疲劳失效的高温静子件主要是排气歧管和涡壳，排气弯管。

本发明的目的在于提供一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统，能有效识别静子件装配体的设计风险区，充分预测热冲击试验中静子件的开裂风险，避免在每次对静子件装配体结构进行改型设计后，重复进行热冲击试验。

发明内容

为了解决目前排气系统中静子件抗开裂性能的验证方法，需要进行热冲击试验，并在试验不通过的情况下，需要在对静子件装配体结构进行改型设计后，重复进行热冲击试验，并以此迭代直至试验通过，由此导致的试验周期长，成本高的问题，本发明提出了一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法，其特征在于，包括步骤：

S01：获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

S02：获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

S03：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

S04：获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

S05：根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

S06：获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是，则该位置处对应的静子件存在开裂风险。

进一步地，所述步骤S03具体为：

根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果。

进一步地，所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述步骤S04具体为：

S41：根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

S42：将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型。

进一步地，所述步骤S02中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：

通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数。

进一步地，所述静子件装配体包括：排气歧管，涡壳，排气弯管。

本发明还提出了一种排气系统中静子件开裂风险的预测系统，包括：

模型获取模块，用于获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

热参数获取模块，用于获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

温度场获取模块，用于根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

安装应力获取模块，用于获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

累积塑性应变值获取模块，用于根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

预测模块，用于获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并在存在累积塑性应变值大于对应的预设塑性应变限值时，提示对应位置处的静子件存在开裂风险。

进一步地，所述温度场获取模块具体用于：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果。

进一步地，所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述安装应力获取模块具体包括：

预紧力获取单元；用于根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

安装应力获取单元，用于将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型。

进一步地，所述热参数获取模块中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是则表示该位置处对应的静子件存在开裂风险，解决了目前排气系统中静子件抗开裂性能的验证方法，需要进行热冲击试验，并在试验不通过的情况下，需要在对静子件装配体结构进行改型设计后，重复进行热冲击试验，并以此迭代直至试验通过，由此导致的试验周期长，成本高的问题；

(2)本发明通过对静子件的开裂风险进行提前预测，降低了目前静子件抗开裂性能的验证方法中热冲击试验的试验费用；

(3)本发明的预测方法，避免了目前静子件抗开裂性能的验证方法中在重新设计静子件装配体结构后需要重复进行热冲击试验所导致的产品开发周期长、研发成本高的问题。

附图说明

图1为一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法的方法流程图；

图2为一种排气系统中静子件开裂风险的预测系统的系统结构图；

图3为一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法的热循环曲线图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

各个静子件使用的金属材料不同，通常金属材料都是塑性材料，具有一定的延展性，塑性应力应变关系是材料的物理属性，需要通过材料试棒的拉伸试验获取，其中塑性的应力应变关系非常关键，本发明通过获取的在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值作为判断静子件是否存在开裂风险的指标，提前预测出了静子件的开裂风险，如图1所示，本发明提出了一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法，包括步骤：

S01：获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

所述静子件装配体包括：排气歧管，涡壳，排气弯管。

S02：获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

所述步骤S02中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：

通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数。

S03：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

所述步骤S03具体为：

根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果。

温度场结果模拟了整个热循环过程中静子件的温度变化，具体而言就由常温到额定点再到怠速下的温度历程(所述温度场结果还可用于判断各静子件的工作是否超温)，如图3所示，各发动机厂均有自己定义的热循环曲线，一般的热冲击试验循环为600s，怠速下5s内升到额定功率点，保持300s，然后5s内下降到怠速低温状态维持300s，对应的发动机燃气排温T3高温下为950℃，怠速下为200℃。

S04：获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述步骤S04具体为：

S41：根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

S42：将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型。

由于排气系统是多个静子件的装配体，因此还需要考虑安装载荷的影响，在热冲击试验加载温度过程中，随着温度的变化，静子件热变形导致装配体的结构不协调，螺栓应力也会出现不同的变化，也就是静子件之间螺栓的机械载荷影响。本发明根据螺栓的最大扭矩换算得到预紧力，并施加到静子件装配体中，从而获得了整个装配体的安装应力(安装应力模型)，所述安装应力指的是装配体在常温下螺栓预紧作用下各个接触面紧密接触形成的应力分布状态。

S05：根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

具体地，根据各静子件的材料参数，并在安装应力模型上耦合瞬态温度场结果，以进行静力结构计算，就可以得到静子件装配体在整个热循环过程中的变化参数，所述变化参数包括静子件装配体结构的变形，应变值，热应力，接触状态等，其中，应变值又可以分为弹性应变值和塑性应变值，所述塑性应变值是材料受力超过屈服后产生的永久性变形，累积塑性应变值指的是经历整个热循环后结构体各个位置产生的塑性应变值总和。

从材料学知识可以知道，材料试棒随着受力的不断增加，应变不断增大，当应变增大到一定值后试棒出现断裂，本发明使用的是通过计算得到热循环末时刻的累积塑性应变，并用其作为判断静子件断裂的依据。各个材料(静子件)的累积塑性应变限值大多不同，如果超过塑性应变限值，则表示该位置存在开裂风险，低于限值则表示无开裂风险。

本实施例中的材料参数包含：温度相关的弹性模量，泊松比，热膨胀系数，比热容，热导率，塑性应力应变关系。

S06：获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是，则该位置处对应的静子件存在开裂风险。

特别地，本发明在预测到静子件存在开裂风险时，还包括对该风险区域(即存在开裂风险的静子件所处的区域)的形状进行自动优化，形状优化是结构优化的一种类型，属于细节优化的细分，目的是通过改变形状参数(如几何尺寸)来达到改变模型(装配体)的力学性质以达到预设的具体要求，所述形状优化的公式为：

X＝X₀+∑DV_i·PV_i；

式中，X₀为风险区域位置离散化的初始节点坐标向量，i为第i个节点，DV_i为第i个节点对应的预设设计变量(扰动幅度)，PV_i为第i个节点对应的预设扰动向量，X为风险区域位置离散化的目标节点坐标向量。通过调整预设扰动变量可改变区域形状(即改变目标节点坐标向量)，比如允许该区域往内或往外生长2mm或者指定为壁厚的n倍关系等。

本发明通过测试得到存在开裂风险的风险区域后，对该风险区域进行自动优化，以得到无开裂风险的装配体，减少了现有验证方法中迭代的次数，提高了热冲击试验的一次通过率，缩短了产品开发的周期，并降低了研发的成本。

本发明的预测方法，避免了目前静子件抗开裂性能的验证方法中在重新设计静子件装配体结构后需要重复进行热冲击试验所导致的产品开发周期长、研发成本高的问题。

实施例二

如图2所示，本发明还提出了一种排气系统中静子件开裂风险的预测系统，其通过对静子件的开裂风险进行提前预测，降低了目前静子件抗开裂性能的验证方法中热冲击试验的试验费用，所述预测系统包括：

模型获取模块，用于获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

热参数获取模块，用于获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

所述热参数获取模块中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数。

温度场获取模块，用于根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

所述温度场获取模块具体用于：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果。

安装应力获取模块，用于获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述安装应力获取模块具体包括：

预紧力获取单元；用于根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

安装应力获取单元，用于将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型。

累积塑性应变值获取模块，用于根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

预测模块，用于获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并在存在累积塑性应变值大于对应的预设塑性应变限值时，提示对应位置处的静子件存在开裂风险。

本发明根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是则表示该位置处对应的静子件存在开裂风险，解决了目前排气系统中静子件抗开裂性能的验证方法，需要进行热冲击试验，并在试验不通过的情况下，需要在对静子件装配体结构进行改型设计后，重复进行热冲击试验，并以此迭代直至试验通过，由此导致的试验周期长，成本高的问题。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法，其特征在于，包括步骤：

S01：获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

S02：获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

所述步骤S02中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：

通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

S03：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

所述步骤S03具体为：

根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果；

S04：获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述步骤S04具体为：

S41：根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

S42：将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型；

S05：根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

S06：获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并依次判断各位置处的累积塑性应变值是否大于对应的预设塑性应变限值，若是，则该位置处对应的静子件存在开裂风险。

2.根据权利要求1所述的一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法，其特征在于，所述静子件装配体包括：排气歧管，涡壳，排气弯管。

3.一种排气系统中静子件开裂风险的预测系统，其特征在于，包括：

模型获取模块，用于获取静子件装配体的数学模型，并对其进行流道抽取以获取气动计算模型；

热参数获取模块，用于获取与排气系统相连的发动机在预设最高温与预设最低温时对应排气系统的性能参数，并通过气动计算模型利用所述性能参数获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

所述热参数获取模块中各静子件壁面热参数的具体获取方法为：通过气动计算模型利用所述性能参数进行CFD流体动力计算以获取发动机处于预设最高温与预设最低温时排气系统中各静子件壁面的热参数；

温度场获取模块，用于根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线获取各静子件的瞬态温度场结果；

所述温度场获取模块具体用于：根据发动机处于预设最高温与预设最低温时各静子件的壁面热参数，和发动机的预设热循环曲线进行瞬态的装配体结构传热分析以获取各静子件的瞬态温度场结果；

安装应力获取模块，用于获取常温状态下静子件装配体中各静子件之间的预紧力，并根据预紧力获取静子件装配体对应的安装应力模型；

所述静子件装配体中各静子件之间通过螺栓连接，所述安装应力获取模块具体包括：

预紧力获取单元；用于根据各静子件之间螺栓的最大扭矩获取各静子件之间的预紧力；

安装应力获取单元，用于将各静子件之间的预紧力施加至静子件装配体以获取其对应的安装应力模型；

累积塑性应变值获取模块，用于根据安装应力模型、瞬态温度场结果以及各静子件的材料参数获取在预设热循环曲线的末时刻对应静子件装配体各位置处的累积塑性应变值；

预测模块，用于获取静子件装配体各位置处的预设塑性应变限值，并在存在累积塑性应变值大于对应的预设塑性应变限值时，提示对应位置处的静子件存在开裂风险。