一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法

摘要

本发明公开了一种发动机排气歧管热机械强度的有限元分析方法，缩短开发周期，降低开发成本，为发动机在数字化模型阶段对发动机排气歧管机械性能和结构可靠性方面进行虚拟仿真。该方法用有限元方法对发动机排气歧管温度场与应力场进行求解计算，得到发动机排气歧管的温度分布、应力分布、应变分布，螺柱力矩变化、排气歧管法兰面密封压力，从而能更好的对发动机排气歧管结构进行设计。

主权项

一种排气歧管热机械强度的有限元分析方法，其特征在于，采用如下步骤： (1)计算额定工况下排气歧管进出口处边界条件； (2)根据步骤(1)中计算得到的边界，计算一工作循环下排气歧管内流场，得到歧管内壁面的温度及对流换热系数； (3)根据排气歧管装配模型划分有限元网格；(4)计算排气歧管温度场分布； (5)根据温度场计算结果，求解排气歧管由冷态装配、工作温度、降温形成的试验周期内排气歧管的密封性、等效塑性应变分布及螺栓预紧力矩的变化率；(6)对结果进行评价； (7)进一步优化排气歧管结构； 其中，步骤(4)具体为：加入由CFD计算出的歧管内流场边界与近似经验边界计算整机温度场：部分缸盖加入燃烧边界与冷却液边界，将歧管内流场的温度换热系数映射到歧管内与流场接触表面，歧管与部分缸盖外壁面与外流场气体之间存在对流换热与热辐射，加入经验值的温度与换热系数，热辐射系数与温度，流体场与排气歧管结构场耦合计算求解排气歧管结构温度场； 步骤(1)中所述边界条件为进口流量，温度，出口压力以及温度；且采用一维热力学boost进行计算，步骤(2)中采用3维CFD(Fire)进行计算； 步骤的(5)中，具体包括：计算排气歧管外壁面与外流场的热辐射；在歧管内流场热边界计算中，燃气壁面先使用经验值来计算初步的排气歧管温度场分布，然后将计算的壁面温度值赋给燃气壁面再次计算排气歧管温度场，依次循环计算直至温度场稳定； 步骤(3)中进一步包括：建立有限元模型，采用二阶四面体单元进行网格划分；CFD计算燃烧边界和壁面冷却液边界；对整机进行有限元网格划分，采用二阶四面体单元，尽量保证离散模型与连续模型的贴合度； 步骤(6)对排气歧管热机械强度分析结果评价具体包括：按照试验周期内形成的工况计算排气歧管温度场、冷/热态下排气歧管法兰面密封性、螺栓预紧力变化、等效塑性应变；并按照等效塑性应变评判排气歧管可能出现热裂的部位；根据经验值对相应结果进行评价。