应用FEA-CFD耦合方法对某增压柴油机排气歧管的开裂失效分析及设计改进

针对某直列四缸增压柴油机排气歧管在台架耐久试验中出现开裂现象,应用有限元(finite element analysis,FEA)-计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)耦合方法对排气歧管进行了热应力分析。排气歧管热应力分析模型中的材料性质随着温度变化的关系由试验测定;在相应发动机工况下对模型预测的温度场和台架上测量的排气歧管温度进行对比,以对模型进行标定。应用标定后的模型分析排气歧管在给定热负荷条件下的应力-应变分布。FEACFD耦合分析结果表明:发生开裂的区域为高塑性应变区,从而推论导致排气歧管开裂原因为热力耦合应力作用下产生的塑性变形,即失效形式为热机械疲劳。以等效塑性应变作为塑性变形的度量及许可的等效塑性应变经验值为判据对排气歧管进行了设计改进,并从三种改进方案中找出最安全的方案进行试验验证,改进后的排气歧管顺利通过发动机台架耐久试验考核。     

某柴油机排气歧管流固耦合CAE分析

为了避免柴油机排气歧管出现断裂故障,在其开发过程中需要对其进行分析。本文利用流固耦合方法来分析排气歧管的温度场分布及热应力分布。结果表明:耦合计算包括一维性能计算、三维CFD计算及FEM计算;排气歧管内外壁面最高温度在材料的安全温度范围内;排气歧管最大热应力在材料的屈服强度范围内;在排气歧管的设计开发阶段,对其进行流固耦合分析,可以避免排气歧管出现热裂等故障。     

某重型柴油发动机排气歧管优化设计

某重型柴油发动机在进行发动机可靠性耐久试验过程中出现了排气歧管管壁开裂。对排气歧管开裂潜在的根本原因进行了系统性排查,找出了排气歧管开裂的根本原因:高温废气长时间冲刷排气歧管管壁导致局部热态机械疲劳。根据分析的失效原因提出了优化方案。应用计算机辅助工程软件分别对原设计和优化方案在相同边界条件下进行热态机械疲劳对比分析,结果表明,优化方案改进效果显著。优化方案的合格样件通过了发动机可靠性耐久试验及其他耐久试验。     

排气歧管热应力模拟计算及缸盖边界条件影响的分析

针对某型号柴油机在热冲击试验过程中排气歧管出现裂纹的问题,利用软件仿真技术进行了排气歧管的热应力模拟计算,分析了产生裂纹的原因。探讨了缸盖建模方法及缸盖设定温度对排气歧管热应力计算的影响。计算结果表明,缸盖限制了排气歧管的自由变形,在排气歧管裂纹出现部位产生较大的应力;在发动机冷热冲击试验时,排气歧管温度的变化造成热应力随之发生变化,导致排气歧管因热疲劳产生裂纹失效;采用简化的缸盖模型与完整缸盖模型所得的排气歧管热应力分布趋势一致,可用于排气歧管的热应力计算。     

内燃机排气歧管热应力分析

采用流固耦合方法计算了内燃机排气歧管的热应力。首先,计算了排气歧管的瞬态内流场和稳态外流场,得到了排气歧管内外壁面的对流换热系数和环境温度,再用有限元的方法计算了排气歧管的温度场和热应力。计算结果表明,排气歧管裂纹产生处就是热应力最大处,根据计算结果提出了改进建议,经试验验证改进措施是有效的。     

某型发动机排气歧管热应力分析

对某型发动机排气歧管在高温废气作用下的热应力进行计算.首先计算其流场的温度场数据,并将在流固交界面处的温度和换热系数作为载荷加载到固体表面上,最后计算固体温度场和热应力.热应力计算结果对于改进排气歧管结构和提高排气歧管质量具有一定的参考价值.     

基于双向流固耦合的汽油机排气歧管热应力分析

联合AVL-Fire与ABAQUS软件,对一台汽油机排气歧管进行温度场、热应力分析.首先利用AVL-Fire对排气歧管做内外流场CFD分析,得到排气歧管内外表面的热边界条件,即流体温度及换热系数;然后把热边界条件映射到有限元面单元,并通过有限元技术与排气歧管实体单元相耦合,通过ABAQUS算出排气歧管温度场,并把壁面温度场返回作为下一轮CFD计算的边界条件,再重复前一轮计算.如此反复,直至符合精度要求,最后计算热应力.     

发动机排气歧管螺栓断裂仿真分析及试验研究

排气歧管是汽车发动机的重要零件,工作热负荷大,且工作温度通常是循环交变的,极易发生失效。某增压发动机在进行800h循环耐久试验时,出现排气歧管1号螺栓断裂的故障。通过螺栓断裂部位及排气歧管螺栓孔的压痕判断为排气歧管受热变形后与1号螺栓产生挤压,导致1号螺栓受到排气歧管的剪切而断裂。本文通过对排气歧管的受热变形进行仿真分析,验证了歧管受热变形后对螺栓产生剪切作用的判断,从而提出加大螺栓孔直径,以增加螺栓与螺栓孔初始间隙的方案,该方案最终通过了试验验证。     

增压发动机排气歧管开裂原因分析

研究了某款涡轮增压发动机开发过程中出现的排气歧管开裂问题。通过质量检测、CAE分析、推理演绎的方法找出排气歧管开裂的原因,并针对原因给出整改措施,最后通过试验进行验证。为以后出现类似的问题提供了解决思路。     

微型汽车发动机排气系统优化设计——基于流体数值模拟的应用研究

为了研究排气系统设计对整机的动力性、经济性及排放性能的影响,通过一维三维的数值模拟方法,分析了原排气歧管存在的排气干涉的问题,对新旧设计进行了一维模拟计算对比。利用CFD/FEM耦合方法,计算了在最大功率点排气歧管的温度分布及热应力分布。通过三维CFD计算,分析了氧传感器位置气流分布及催化转化器前端气流均匀性。制造排气系统实物并进行台架试验,结果表明整机性能有了显著的提高,并且耐久性与排放符合设计要求。     

增压柴油机排气歧管设计

在理论计算与分析的基础上,结合应用CFD对排气歧管内部压力和速度的分布情况进行了模拟和分析,根据分析结果对排放管设计进行了优化。发动机性能试验表明：排气歧管优化设计取得了较为满意的效果,达到了预期目标。     

柴油机排烟管在振动条件下的强度分析

由于柴油机结构的复杂性,在对其一些主要零部件进行强度分析时,采用传统的力学方法只能近似地反映其受力状况以及变形情况,远不能满足进一步分析的需要。而运用有限元法则可以大大地改善这种情况,本文运用有限元法针对某型柴油机排烟管由于振动引起的应力进行了探究,为分析在振动条件下零部件的强度提供了一种方法和途径。     

脉冲排气系统三维非定常流动的计算研究

采用三维非定常流动计算对某大功率六缸柴油机的脉冲排气系统进行了研究。计算物理模型采用Fluent多面体网格单元,排气管进口边界条件由发动机工作过程模拟软件GT-Power给定,湍流模型采用标准k-ε模型;结合对排气管开启、关闭时刻点以及排气最大流量点的分析,探讨了该脉冲排气系统的流动特性;并提出了优化方案。     

某船用中速相继增压柴油机旁通控制策略优化研究

某船用中速相继增压柴油机由一台增压器工作切换至两台增压器工作后排气总管温度偏高。针对该问题对柴油机进排气旁通策略进行优化研究。首先建立该中速柴油机工作过程仿真模型并校验;然后利用仿真模型对改善排气总管温度偏高问题的控制策略进行优化设计,并对优化后的控制策略进行试验验证。结果表明:优化后的旁通控制策略能够使切换点工况的排气总管温度平均降低35℃左右,各缸排气温度略有上升,燃油消耗率基本保持不变。     

基于温度场分布的排气歧管总成模态分析方法

在分析了温度对材料弹性模量及结构模态影响的基础上,提出了基于温度场分布的发动机排气歧管总成模态分析方法,即首先对排气歧管总成进行传热分析,以获得各部件的温度场分布,进而计算其在所得温度场分布下的模态频率与振型。针对某增压发动机的排气歧管总成,进行了不考虑温度影响、设置某一温度下材料弹性模量值与基于温度场分布三种方式的模态分析,结果表明基于温度场分布的模态分析方法更能准确的反映排气歧管总成在高温工况下的模态振型与频率。     

某涡轮叶片热-机械疲劳寿命预测与试验验证

为了得到某燃气轮机涡轮叶片关键截面的真实寿命,设计并开展了涡轮叶片热-机械疲劳试验,获得了真实寿命数据,并基于试验结果提出了一种涡轮叶片低周疲劳与蠕变疲劳交互的寿命预测方法。首先,采用一维线弹性关系、修正公式以及循环应力应变关系3种名义应力应变处理模型计算获得了名义应变;然后,利用SWT寿命关系式预测模型预测了叶片的热-机械疲劳寿命;再将预测寿命与试验获得的真实寿命进行对比分析。研究表明：对于某型燃气轮机涡轮叶片,基于SWT预测模型的循环应力应变关系方法相比于一维线弹性关系和修正公式法预测精度最高,与试验寿命相比,预测误差在4倍分散带之内。     

Thermal analysis of nanostructured alumina stabilized zirconia coating on exhaust manifold

Rapid rise in pollution has increased the number of automobiles usage worldwide. The exhaust manifold is an important part in the automobile since it acts as a passage for the transport of exhaust gases from the combustion chamber to the atmosphere. It is a sensitive component since it handles high-temperature exhaust gases. Continuous exposure of high-temperature exhaust gas may cause thermal stress which decreases the life of the exhaust manifold. Cast iron or steel is the most common material used for exhaust manifold. The present study deals with the improvement of material properties of exhaust manifold. In order to optimize the cast iron properties such as thermal conductivity and corrosion resistance, a zirconia-based nanocomposite coating such as alumina stabilized Zirconia (ASZ) can be coated on both sides of the exhaust manifold, instead of replacing the whole material. By coating nano structured ASZ, the amount of heat flow from exhaust gases to the exhaust manifold is decreased, thereby reducing the thermal fatigue. The method of coating can be achieved by radio frequency Magnetron sputtering technique. A steady-state thermal analysis is performed by simulation approach using ANSYS R17.2 to validate the output in the numerical approach. The results obtained shows that ASZ nanocomposite coating acts as an efficient thermal barrier coating for the exhaust manifold thus increasing its reliability.