基于整机瞬态振动—热耦合的排气歧管低周疲劳研究

发布时间：2020-07-05 22:36

【摘要】：随着目前油耗法规限值的逐年降低,三缸增压汽油机被更多的小型乘用车采用,但是其强化程度的不断提升以及固有的不平衡性,导致排气歧管所受的动态热负荷与结构动载荷进一步加深。传统的低周热疲劳分析已不能很好的满足工程设计的要求,在热负荷的基础上耦合整机瞬态振动激励并考虑塑性变形的影响进行低周疲劳寿命分析,更符合发动机的实际状态。本文以某三缸增压发动机排气歧管为研究对象,对整机振动-热耦合低周疲劳进行了系统研究,在考虑塑性变形的基础上,定量分析了振动载荷对低周疲劳寿命的影响。首先,基于流固耦合的方法获取排气歧管怠速与标定工况内外流场温度和换热系数,进行两工况温度场、应力场的计算。结果表明,与怠速工况相比,标定工况应力水平大幅提升,两工况高应力区主要位于法兰面与排气支管结合处,并且1、3支管主要表现为压应力,2支管表现为拉应力。其次,对配气机构激励以及缸内爆发压力作用下的整机多体动力系统进行了计算。结果表明,排气系统受到的加速度激励载荷大能量段主要位于低频区间,对排气系统动应力的影响需要引起重视。另外,基于标定工况和常温下弹塑性应力场的约束模态结果表明,高温会使得排气系统固有频率下降,而且从第四阶模态开始,两者的变形形态呈现相反的趋势。基于瞬态位移激励和标定工况热模态结果的瞬态动力学计算结果表明,动应力受二阶模态影响较大。然后,基于排气歧管标定和怠速工况的弹性应力场以及整机瞬态振动动应力场,依据发动机低周疲劳试验规程,分别建立发动机排气歧管常规低周热疲劳和瞬态振动-热耦合低周疲劳分析模型,引入Neuber弹塑性修正准则对疲劳分析载荷谱进行弹塑性应力-应变修正,并使用主应变法进行疲劳寿命计算。对比结果表明,疲劳破坏风险点主要位于高温拉应力区域,叠加振动载荷会使整体疲劳寿命下降接近25.2%,对部分区域下降幅度甚至高达75%。从结构优化的角度出发,重点关注高温高拉应力以及动应力呈现拉应力的区域。通过采用最优拉丁超立方实验设计与BP神经网络相结合的方法对悬置刚度进行小幅优化,能够减小排气歧管所受动态激励,使整体疲劳寿命提升8.69%。最后,对发动机整机进行了疲劳试验,经过500小时耐久,发动机运行状态良好,通过冷热冲击疲劳试验,排气歧管未出现损坏,验证了本文瞬态振动-热耦合疲劳计算的合理性。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.134.4
【图文】：

流程图,整体分析,流程图,排气歧管

图 1- 1 整体分析流程图Figure 1- 1 Flowchart of the whole analysis第四章，首先依据标准疲劳试验规程基于怠速工况应力场、标定工况应力场以及振动载荷动应力分别搭建常规低周热疲劳和瞬态振动-热耦合低周疲劳寿命评估模型。接着引入 Neuber 修正准则对两种情况下的载荷谱进行应力-应变修正并基于应变疲劳模型进行疲劳寿命计算。然后基于最优拉丁超立方实验设计与BP 神经网络相结合的方法对排气歧管动应力进行优化设计。最后对排气歧管进行疲劳试验验证。第五章，对全文工作进行总结，并对排气歧管疲劳寿命分析的扩展研究方向进行了规划与展望。

曲线,热力学模型,一维

表 2- 1 发动机技术参数Table 2- 1 Engine specifications参数数值缸径（mm） 75活塞行程（mm） 75气缸数及布置形式直列 3 缸压缩比 9.8排量/L 0.998进气形式涡轮增压额定功率（kW） 75(5500r/min)最大扭矩（N·m） 150（1700-4500r/min）动机设计参数在 Boost 软件中搭建一维热力学模型，通过机整机多体动力学计算的发动机缸内压力曲线、用于排气算的各排气支管进出口瞬态温度、质量流量和压力数据。。

台架试验,怠速工况

第二章排气歧管温度场分析为了验证计算得到的热分析边界的准确性，需要对排气温度与进气流量进行试验验证。台架试验在图 2-2 所示的 AVL 试验系统上进行，试验设备如表 2-2所示，设备精度符合 GB/T18297-2001 的规定。测试数据为标定工况及怠速工况下进气管口总流量和距三个排气支管进口 30mm 处气体温度，两工况试验仿真结果分别如表 2-3 和 2-4 所示。从表中数据可以看出，标定工况下的稳态温度与流量的实验值与仿真值结果误差都在 4.8%的范围以内，怠速工况的相对误差最大值接近 9.2%，考虑到发动机实际运行过程中怠速工况存在一定幅度的波动，怠速工况相对误差结果偏大是合理的，可以认定利用仿真得到的标定工况和怠速工况下的温度场结果作为分析边界，其精度能够满足要求。由 Boost 软件得到的标定和怠速工况瞬时温度、质量流量与压力分别如图 2-3 与 2-4 所示。

【参考文献】