基于ABAQUS的发动机排气歧管低周疲劳分析

代兴伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

基于ABAQUS的发动机排气歧管低周疲劳分析

代兴伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

在发动机运转过程中，排气歧管温度会产生周期变化，会导致排气歧管发生低周疲劳破坏，文章基于ABAQUS对某发动机的排气歧管进行低周疲劳分析，研究排气歧管的低周疲劳寿命。

排气歧管；低周疲劳；ABAQUS软件

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-120-02

随着发动机技术的发展，以及排放法规、油耗法规的加严，排气歧管的设计已经开始集成在缸盖上，不仅可以降低油耗以及排放，而且由于缸盖水套冷却的原因，排气歧管部分的温度会有一定程度的降低，但由于材料一般为铝合金材料，强度也有一定的下降，因此还是有必要对排气歧管部位的低周疲劳性能进行评估，本文基于ABAQUS软件，对某发动机的排气歧管部分进行低周疲劳分析，计算低周疲劳寿命。

1 有限元模型及边界条件

由于是排气歧管集成在缸盖上，因此排气歧管低周疲劳分析模型包括以下部件：缸体、缸盖（集成排气歧管）、缸垫、缸盖螺栓、增压器蜗壳以及蜗壳螺栓等。使用Hypermesh对模型进行网格划分，单元类型缸垫采用GK3D12MN，其余采用C3D10M。有限元模型如图1所示。温度场分析需要CFD分析提供热边界，主要包括全速全负荷工况和怠速工况下的气体的温度及换热系数，部位有燃烧室、近排气道、缸体缸盖水套以及缸套，全速全负荷工况燃烧室部位的温度及换热系数如图2、3所示，其他部位不一一列出。

图1 有限元模型

图2 燃烧室部位温度

图3 燃烧室部位换热系数

2 温度场分析

温度场分析低周循环工况如图4所示，进行瞬态分析，共进行五个循环，第一循环从室温到全速全负荷，然后下降到怠速工况，后四个循环重复从怠速工况到全负荷工况，再到怠速工况。第五个循环时全速全负荷工况温度场如图5所示。

图4 温度循环工况

图5 全速全负荷工况温度场

3 应力应变分析

应力应变分析循环如图6所示，由于排气歧管低周分析主要考虑温度的影响，因此应力循环与温度循环基本一致，即分析温度循环状态下的应力应变变化，同样分为五个循环，前两个循环为初始循环，此循环应力应变状态没有稳定，在第三个循环全速全负荷工况时保持30小时，主要是为了考虑材料的蠕变特性，后两个循环为稳定循环，此时部件的应力应变基本趋于稳定，使用第五个循环进行低周疲劳寿命分析。

图6 应力应变循环工况

4 低周寿命分析结果

排气歧管低周疲劳寿命如图7所示，可以看出排气歧管外表面的低周疲劳安全系数均在4.5以上，图8为某一截面的安全系数分布，最小安全系数为4.5，整体模型不存在风险。

图7 排气歧管低周疲劳安全系数

图8 某截面安全系数分布

5 结论

通过有限元的方法计算瞬态温度场分析，得到怠速工况到全速全负荷工况过程的温度场分布，并基于温度结果进行应力应变分析，分析中考虑了材料的蠕变特性，使用最后的稳定循环进行低周疲劳分析，结果显示寿命较高，不存在风险。

[1] Surech,S.Fatigue of Materials[M].国防工业出版社,1993,389-404.

[2] 聂宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基础[J].航空学报,1993,14（5）:310-312.

[3] 赵帅帅,陈永祥等.基于修正Coffin-Manson模型的加速寿命试验设计与评估[J].强度与环境,2013,40（4）:52-58.

The Exhaust manifold LCF Analysis Based on ABAQUS

Dai Xingwei
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

During engine operation, the exhaust manifold temperature will produce periodic changes. This will cause the exhaust manifold occurrence of low cycle fatigue damage. The low cycle fatigue analysis of exhaust manifold will be carried out based on software abaqus in this paper. And to search the low cycle fatigue life of the exhaust manifold.

Exhaust manifold; Low cycle fatigue; ABAQUS software

U463.6

A

1671-7988 (2017)15-120-02

代兴伟，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.044