本文關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的熱疲勞性能研究

  更多相關(guān)文章： 排氣歧管 熱疲勞 流固熱耦合 等效入口邊界條件 靈敏度分析

【摘要】：隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也同步升高。排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣首先流經(jīng)的部件,工作時(shí)處于高溫狀態(tài)。排氣歧管受熱會(huì)發(fā)生膨脹,在內(nèi)部及外部的約束下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。不斷的在受熱膨脹與冷卻收縮之間循環(huán),排氣歧管容易產(chǎn)生塑性變形而最終產(chǎn)生裂紋、破壞。必須加大對(duì)排氣歧管熱負(fù)荷及熱疲勞性能的重視。基于此,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)4A15S配套用排氣歧管進(jìn)行了熱疲勞性能研究。本課題主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：(1)對(duì)排氣歧管內(nèi)流道進(jìn)行入口速度不變的穩(wěn)態(tài)流場分析。排氣歧管的功用是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣導(dǎo)入三元催化載體,最后經(jīng)排氣管排出機(jī)體。其流通性與流速均勻性是其最基本性能,需對(duì)其進(jìn)行流場分析以知悉該兩種性能。首先對(duì)流場進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果確定了流場分析所要采用的網(wǎng)格尺寸。采用經(jīng)由網(wǎng)格獨(dú)立性分析得到的網(wǎng)格尺寸,對(duì)排氣歧管內(nèi)流道進(jìn)行了入口速度不變的穩(wěn)態(tài)流場分析,結(jié)果表明該排氣歧管流通性及流速均勻性良好。(2)提出可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變的排氣歧管入口邊界條件等效方案。如若完全按照實(shí)際的排氣歧管出入口邊界條件對(duì)其采用流固熱耦合方法計(jì)算其工作時(shí)的穩(wěn)定熱負(fù)荷,計(jì)算量過大,現(xiàn)有計(jì)算機(jī)難以滿足計(jì)算要求。根據(jù)質(zhì)量與能量守恒法則,對(duì)一維仿真結(jié)果提出了等效方案。建立簡化模型,驗(yàn)證了等效模型可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變。(3)建立發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真模型。為獲取排氣歧管熱負(fù)荷分析的邊界條件,建立了發(fā)動(dòng)機(jī)4A15S一維性能仿真模型,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明該仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符,可用于后續(xù)研究。(4)排氣歧管熱負(fù)荷分析。利用等效的入口邊界,采用體映射方法,對(duì)排氣歧管建立流固熱耦合模型,計(jì)算得到一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)排氣歧管的熱負(fù)荷,找到排氣歧管最危險(xiǎn)位置。(5)排氣歧管熱疲勞壽命分析。利用計(jì)算得到的排氣歧管在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的等效塑性應(yīng)變?cè)隽?△PEEQ),采用Manson-Coffin公式計(jì)算了排氣歧管熱疲勞壽命。分析了Manson-Coffin公式中的材料常數(shù)C和α值對(duì)采用Manson-Coffin公式計(jì)算得到的熱疲勞壽命的影響。結(jié)果表明應(yīng)用Manson-Coffin公式計(jì)算排氣歧管熱疲勞時(shí),α值的選取極為關(guān)鍵,對(duì)最終計(jì)算到的結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命有極大影響。以歧管壁厚、線膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度及彈性模量為設(shè)計(jì)變量,對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。分析結(jié)果表明,4個(gè)參數(shù)中,排氣歧管熱疲勞壽命對(duì)排氣歧管壁厚最敏感；材料參數(shù)中,排氣歧管熱疲勞壽命對(duì)線膨脹系數(shù)最敏感；歧管壁厚、屈服強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)與排氣歧管熱疲勞壽命成正相關(guān)。本課題的創(chuàng)新點(diǎn)如下：(1)提出了可用于計(jì)算結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變的排氣歧管入口邊界條件等效方案,并建立簡化模型驗(yàn)證了該等效方案。該等效方法較常用的時(shí)域平均方法而言,計(jì)算簡單方便,可行性更高,在流固熱耦合計(jì)算時(shí),能實(shí)現(xiàn)流固間位移與壓力等物理量的動(dòng)態(tài)傳遞。(2)對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析,找到了對(duì)排氣歧管熱疲勞壽命最敏感的參數(shù)。(3)采用體映射方法建立了排氣歧管流固熱耦合分析模型,計(jì)算并分析了排氣歧管在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的熱負(fù)荷。
【關(guān)鍵詞】：排氣歧管 熱疲勞 流固熱耦合 等效入口邊界條件 靈敏度分析
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U464.134.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• abstract8-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 研究背景及意義13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 排氣歧管內(nèi)流道流場研究分析14-15
• 1.2.2 排氣歧管熱負(fù)荷研究分析15-18
• 1.2.3 排氣歧管振動(dòng)特性分析18
• 1.2.4 排氣歧管疲勞研究分析18-19
• 1.3 主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 排氣歧管穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場分析21-26
• 2.1 引言21
• 2.2 排氣歧管穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場模型建立21-23
• 2.2.1 排氣歧管幾何模型21-22
• 2.2.2 網(wǎng)格劃分22
• 2.2.3 求解設(shè)置22-23
• 2.3 排氣歧管穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場分析23-25
• 2.3.1 網(wǎng)格獨(dú)立性分析23
• 2.3.2 CFD模型設(shè)置23-24
• 2.3.3 計(jì)算結(jié)果分析24-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第3章 入口邊界條件等效方案26-38
• 3.1 引言26
• 3.2 流固熱耦合物理量傳遞方式26-28
• 3.2.1 直接轉(zhuǎn)換法26-27
• 3.2.2 體映射法27-28
• 3.2.3 面映射法28
• 3.3 等效方案理論28-31
• 3.3.1 時(shí)域平均方法28-29
• 3.3.2 等效方案理論29-31
• 3.4 等效方案的驗(yàn)證31-37
• 3.4.1 簡化結(jié)構(gòu)流固熱耦合模型的建立31-34
• 3.4.2 計(jì)算結(jié)果分析34-37
• 3.5 本章小結(jié)37-38
• 第4章 排氣歧管熱負(fù)荷分析38-55
• 4.1 引言38
• 4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬計(jì)算與驗(yàn)證38-43
• 4.2.1 一維模型搭建38-40
• 4.2.2 一維模型驗(yàn)證40-42
• 4.2.3 模擬結(jié)果及分析42-43
• 4.3 排氣歧管流固熱耦合模型建立及計(jì)算43-46
• 4.3.1 等效入口邊界條件43-46
• 4.3.2 求解設(shè)置46
• 4.4 排氣歧管溫度場試驗(yàn)驗(yàn)證46-48
• 4.5 排氣歧管熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分析48-54
• 4.5.1 排氣歧管溫度場分析48-50
• 4.5.2 排氣歧管熱應(yīng)力分析50-52
• 4.5.3 排氣歧管等效塑性應(yīng)變分析52-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 第5章 排氣歧管熱疲勞性能分析55-61
• 5.1 引言55
• 5.2 排氣歧管熱疲勞壽命估算55-56
• 5.3 結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命計(jì)算中材料常數(shù)影響的討論56-57
• 5.4 排氣歧管熱疲勞壽命相關(guān)參數(shù)靈敏度分析57-60
• 5.4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)57-59
• 5.4.2 靈敏度分析59-60
• 5.5 本章小結(jié)60-61
• 第6章 總結(jié)與展望61-63
• 6.1 研究總結(jié)61
• 6.2 課題創(chuàng)新點(diǎn)61-62
• 6.3 工作展望62-63
• 致謝63-64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研參與情況68

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