基于CAE分析的塑料进气歧管爆破强度优化设计

秦冠童，李坚

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

基于CAE分析的塑料进气歧管爆破强度优化设计

秦冠童，李坚

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

运用CAE有限元分析软件对某发动机进气歧管进行压力承载分析，得到应力分布云图，通过结合实际产品试验来验证分析方法和边界条件定义的准确性；基于分析结果对产品结构进行优化，为提高产品爆破强度提供有力依据和方向。

进气歧管；回火；爆破强度；结构优化

发动机进气歧管的作用就是把空气、燃料等混合后的可燃气体均匀的分配给各气缸。由于进气端温度较低，复合材料开始成为热门的进气歧管材质，能有效减少阻力，增加进气的效率［1］。进气歧管设计的好坏对发动机启动性、尾气排放特性以及输出功率等有很大的影响［2］。通常塑料进气歧管与发动机缸盖直接连接，工作时最高温度可达120℃［3］.此外，进气歧管还要承受发动机振动负荷、节气门体惯性力负荷、进气压力脉动负荷。在发动机异常回火情况下，做工冲程中的高压气体倒流入进气歧管，导致进气歧管内腔压力骤升，瞬间将会达到几个甚至十几个大气压的峰值。为此，塑料进气歧管爆破压力必须大于该峰值压力，以保证异常情况下不至于发生破损，而影响用户的使用安全。总之，进气歧管工作环境恶劣。其是发动机关键零部件之一，为保证发动机的正常运行，进气歧管要求耐高温、爆破强度高以及耐老化。

利用CAE软件进行结构应力分析已经成为产品开发主流模式，而目前应用在进气歧管爆破强度分析上的的实例相对较少，缺乏相关经验。本文的目的是通过结合产品实际开发经验，阐述将应力分析和实际产品验证相结合，在设计初期对产品进行虚拟评估，确定产品结构设计的合理性，通过结构设计优化以提高进气歧管的爆破强度。

1　分析模型的建立及确认

1.1模型和材料物理性能输入

进气歧管设计选材也是关键步骤之一，根据产品设计经验，初步定义使用PA6-GF30进行产品结构分析及样件制作。从软件的材料库中选择相应材料，对其默认参数进行编辑，输入定义的材料属性，并将材料物理性能赋予进气歧管的三维模型。分析参数定义如表1所示。

表1　材料物理特性

1.2网格划分及边界设定

利用前处理软件HyperMesh软件来建立进气歧管有限元模型，然后将有限元模型导入计算分析软件Abaqus，并对其进行边界设定。

（1）网格划分

将进气歧管原始数据划分为二阶10节点四面体的网格模型。四面体网格模型建立快捷，修改方便，还可对局部局域进行细化加密处理，使网格质量更优，分析结果更加准确。将进气歧管模型划分为457 633个网格单元，885 247个节点；将进气歧管与节流阀体连接处的法兰面进行简化网格划分。网格划分结果如图1所示。

图1　网格模型

（2）边界定义

在实际装配中，进气歧管通过5颗螺栓连接固定到缸盖上。为了简化计算，对于CAE分析模型，直接在进气歧管螺栓安装孔处约束所有自由度。考虑到产品实际爆破试验时环境条件为室温，将模拟分析温度也定义为室温（即23℃），以让CAE分析数据与试验结果比对更加贴切。载荷施加的对象为进气歧管内腔，基于某发动机在异常回火时，最高产生11 bar的高压气体，将载荷大小设定为12 bar.

1.3有限元模型的验证

（1）爆破强度分析计算

利用Abaqus对进气歧管有限元模型进行应力分析，计算得到应力分布云图（见图2）。由图2可以分析看出，进气歧管上壳体处多个气道上应力较集中，以及在各气道之间的过渡弯道处应力较集中，且都非常的接近材料许用范围（对于PA6-GF30材料，许用应力约为93 MPa），而且过渡弯道处应力值更大（达到85 MPa），最大能够承受10.7 bar的爆破压力。

图2　初始模型应力云图

（2）验证CAE分析方法及模型的准确性

本产品在开发初期没有进行CAE爆破强度分析，开完工装样件后，在爆破试验中发现了爆破压力值只有10.5 bar，低于目标值。获得CAE应力分析结果之后，将数据同实际爆破试验结果进行了比对，两项结果很接近。爆破试验结果如图3所示，上壳体中的部分结构沿图中的示意线条被撕裂。

图3　爆破试验结果示意图

从爆破结果判断，各气道之间的过渡弯道处最早开裂，之后裂缝迅速沿应力集中区域延伸，最终导致进气歧管上壳体的一大块面积被高压撕裂，其薄弱位置与CAE分析结果相对应。

通过CAE计算分析云图以及爆破试验结果比对，确认进气歧管有限元模型的建立符合实际，边界约束及载荷设定合理。

2　产品设计优化

2.1首次优化及效果分析

基于首次CAE分析结果，已经确认产品结构弱点位置，将通过以下两种方案对进气歧管结构进行结构优化，以提高爆破强度。结构优化一，在不影响歧管内腔的前提下，通过增大各气道间的过渡半径（如图4b）来降低应力集中；结构优化二，针对气道表面应力集中区域，通过增加加强筋（共四处，如图4a）来强化结构，提高承载能力。

图4　分析结果

为确保产品实施优化后能够满足设计强度要求，我们首先对优化后的进气歧管进行爆破强度模拟分析，评估优化效果。分析结果如图4所示，总体应力值有所下降，而应力较集中的区域无多大转移，还是在原来的位置。通过本次优化设计，最大应力已经降至78 MPa，比优化之前减小了7 MPa，最大承载力提升近10%约为11.3bar，进气歧管爆破强度已然满足设计要求。图5所示。

图5　首次优化分析结果

CAE分析毕竟只是一种辅助工具，分析结果只是提供了理论依据。参照本轮分析结果所进行的结构优化方案，对进气歧管模具进行修改，并进行了爆破试验，如图6所示，从实际爆破结果可知，爆破压力值为11.5 bar，相对优化前提升9%左右，与优化后的CAE分析结果数据相吻合。

图6　首次优化后爆破试验示意图

从这次优化的结果来看，爆破强度的确已经满足产品设计要求。但考虑到到PA6-GF30符合材料在热老化后性能的下降，要保证进气歧管在长期使用后依然可以承受11 bar的爆破压力，需要对进气歧管进一步优化。通常来说，进气歧管最薄弱处应该是焊接筋，这是因为焊接筋处的材料经过了二次熔化。但通过加大过渡区域的圆角半径以及增加加强筋后，整个产品的弱点在壳体上，并非焊接区域，说明进气歧管的结构还有优化的空间。

2.2二次设计优化

仔细分析首次优化的CAE分析结果，发现气道表面的应力还是比较集中，尤其是最右侧的一个气道表面，其直接延伸至两个气道的过度区域。通过对气道表面再次增加加强筋（如图8所示），希望能够把集中在这里的应力分散开来，使整个壳体的强度也跟着提高。

对于第二次优化思路，将添加加强筋后的三维数据模型进行预处理，施加边界约束和载荷，通过Abaqus对其进行应力分析，结果如图7所示。从分析结果的应力分布云图来看，进气歧管上壳体的应力集中区域已经分散。最大应力不是在壳体上而是在焊接区域。从应力云图看，单壳体结构应力小于65 MPa，远远小于材料许用值93 MPa.焊接筋区域应力分布在50～70 MPa，也小于焊接区域材料许用值75 MPa（进气歧管总成是将多片壳体通过振动摩擦焊连接在一起，焊接筋区域的材料经过摩擦生热再次熔化，通常此区域结构的抗爆破能力比非焊接区域要低。根据经验，焊接筋爆破强度大概为非焊接区域的80%，即大概在75 MPa）。由此，从分析数据可以判断，焊接筋的区域会出现破裂。

图7　二次优化分析云图

二次优化的分析数据显示，爆破强度比首次优化结果又提升了近8%，达到了12.2，效果显著。基于本次分析结果，也对产品进行了实际验证。产品从焊接筋位置（如图8）破裂，与分析数据相对应，爆破压力提升到了12.5 bar.经过两轮优化后，产品爆破压力提升了许多（如图9所示）。

图8　二次优化及爆破点示意图

图9　爆破试验曲线

3　结束语

通过CAE模拟分析可以有效地预测进气歧管的结构强度，准确的评估爆破试验结果，发现薄弱点。基于CAE分析结果，对进气歧管结果进行优化，可以使产品达到设计目标值。

由于焊接致使材料的二次熔化，进气歧管结果薄弱点应出现在焊接区域。如果CAE分析结果不在焊接区域，那么次进气歧管结构还具有优化的空间。

通过不断的总结和积累经验，合理定义计算边界，确保了有限元分析模型的准确性，使得CAE分析结果更加具备应用于指导产品优化的价值。

［1］汽车百科全书编纂委员会.汽车百科全书［M］.北京：中国大百科全书出版社，2010.

［2］杨德定，陆金华，宋伟.基于CAE分析的进气歧管系统结构优化设计［J］.装备制造技术，2014，（12）：172-173.

［3］李欣，李力，黄凤琴.基于Abaqus的汽油机进气歧管爆破强度分析［J］.计算机辅助工程2013，（增刊2）：64-66.

Burst Strength Optimization of Plastic Intake Manifold based on CAE Analysis

QIN Guan-tong，LI Jian
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Using the CAE software to make the stress analysis of plastic intake manifold，and gets the stress distribution cloud chart.By combining with the test of actual product verified the accuracy of the analysis method and boundary conditions.Based on the analysis results to optimize the structure of product，and provide the reliable basis and direction for improving bursting strength of product.

intake manifold；backfire；bursting strength；structure optimization

U464.1

A

1672-545X（2016）08-0095-04

2016-05-01

秦冠童（1987-），男，广西贵港人，本科，助理工程师，主要从事发动机零部件设计开发。