某发动机双层水冷排气歧管热疲劳仿真分析研究

作     者：李元颖 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏铁熊

授予年度：2015年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：双层水冷排气歧管 流-固耦合分析 热应力 热疲劳 

摘      要：排气歧管是发动机排气系统的重要部件之一，其结构强度直接影响着发动机的工作可靠性和使用耐久性。防爆柴油机采用双层水冷排气歧管来满足表面温度低于423K的防爆规程。由于双层水冷排气歧管在工作过程中与高温废气及冷却水直接接触，使得管壁温度分布很不均匀，壁面会产生热应力集中，导致双层水冷排气歧管容易发生疲劳破坏。因此，有必要对双层水冷排气歧管在工作过程中热应力的分布规律以及热疲劳寿命进行研究，分析结果对提高双层水冷排气歧管的工作性能和使用寿命具有重要意义。 针对上述问题，本文以某发动机双层水冷排气歧管为研究对象，对其展开热疲劳仿真研究。运用UG建立其三维实体模型。排气歧管双层管壁，烟气和冷却水三维装配模型作为CFD分析时的流-固几何模型;而排气歧管双层管壁、简化机体板、涡壳板以及螺栓等零部件的三维装配模型作为模拟真实安装条件下的有限元分析结构模型，以此模型做进一步的热应力和热疲劳分析。利用Hypermesh软件划分网格，并分别建立流场分析和结构应力分析时所需的不同边界条件。 运用FLUENT软件对双层水冷排气歧管进行流-固耦合传热分析。双层管壁作为耦合系统的固体域，烟气和冷却水作为耦合系统的流体域，通过定义合理的边界条件及耦合方程，采用整场离散和整场求解的方法，研究了双层水冷排气歧管的流体流动和传热以及流体与管壁之间的耦合传热，得出了内部流场和温度场分布规律。分析结果表明：双层水冷排气歧管流通性较好，符合排气要求，表面温度均不超过423K，满足安全防爆的要求，验证了双层水冷排气歧管三维模型的合理性及可行性。 在流-固耦合计算的基础上，运用ANSYS软件将所得到的双层水冷排气歧管管壁节点温度作为温度载荷，对螺栓施加预紧力，固定端面采用全约束的加载方式模拟其真实工作状态下的安装条件，对其进行热应力分析，得到双层水冷排气歧管热变形、热应力应变的分布规律。 最后基于热应力分析结果中所产生的塑性应变，根据低周热疲劳分析理论，运用Manson-Coffin公式对其热疲劳寿命进行预测，分析结果可为双层水冷排气歧管结构的疲劳寿命设计和热疲劳分析研究提供一定的参考依据。