摘 要

发动机排气歧管是汽车排气系统中非常重要的一部分，直接与发动机的缸盖相连，接受着发动机排出的高温气体，同时又受到机械载荷的作用，比如发动机的振动等，导致其工作环境十分恶劣，在发动机不断的进行工作、停机等循环工况下，往往会导致排气歧管受到较大的热应力，同时可能产生较大的热变形。因此，对发动机排气歧管进行热应力及热变形的研究具有非常重要的作用。本文利用ANSYS有限元软件采用流固耦合的方法对排气歧管进行研究。本文首先在已知内流场结果的条件下进行温度场的研究，将已知的发动机排气歧管流体区域的外表面温度以及换热系数，映射到其固体区域，同时考虑排气歧管和外界空气的对流换热，进而得到发动机排气歧管的温度场。然后在对排气歧管添加螺栓预紧力和合适约束的情况下，计算发动机排气歧管的热应力和热变形。得出了热应力较高的部分主要集中在排气歧管的四个进气口周围和排气歧管的出气口周围，四个进气管道交汇处的热应力亦较高。热变形在排气歧管第一进气口处最大为2.65mm，因为此处距离约束较远，满足预设结论。最后再根据得出的结论，对发动机提出合理的改进，以便满足发动机的实际要求。

关键词：排气歧管；温度场；热应力；热变形；

Abstract

Engine exhaust manifold is a very important part of automobile exhaust system. It is directly connected with the cylinder head of the engine and receives high temperature gas from the engine. At the same time, it is also affected by mechanical loads, such as engine vibration, which results in a very bad working environment. Under the cyclic conditions of continuous working and shutdown of the engine, exhaust manifold is often exposed to. At the same time, a large thermal deformation may occur when the thermal stress is large. Therefore, it is very important to study the thermal stress and deformation of engine exhaust manifold. In this paper, ANSYS finite element software is used to study the exhaust manifold by fluid-solid coupling method. Firstly, the temperature field of the engine exhaust manifold is studied under the condition that the results of the internal flow field are known. The temperature field of the engine exhaust manifold is obtained by mapping the known outer surface temperature and heat transfer coefficient to its solid region, taking into account the convective heat transfer between the exhaust manifold and the external air. Then the thermal stress and deformation of engine exhaust manifold are calculated by adding bolt preload and appropriate constraints to exhaust manifold. It is concluded that the higher thermal stress is mainly concentrated around the four intake ports of the exhaust manifold and around the exhaust ports of the exhaust manifold, and the higher thermal stress is also found at the intersection of the four intake pipelines. The maximum thermal deformation is 2.65 mm at the first intake of the exhaust manifold, because it is far away from the constraint and meets the preset conclusion. Finally, according to the conclusions drawn, reasonable improvements are put forward to meet the actual requirements of the engine.

Key Words：Exhaust manifold; Temperature field; Thermal stress; Thermal deformation;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 论文选题的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 ANSYS软件介绍 3

1.4 本文研究内容 4

第 2 章 排气歧管温度场分析 6

2.1 温度场分析理论 6

2.2 温度场计算 7

2.2.1 模型建立 7

2.2.2 定义材料 8

2.2.3 划分网格 8

2.2.4 加载边界条件 9

2.2.5 设置对流换热 10

2.2.6 排气歧管温度场分析 11

2.3 本章小结 12

第 3 章 排气歧管热应力分析 13

3.1 热应力分析理论 13

3.2 排气歧管热应力计算 14

3.2.1 设置热负荷 14

3.2.2 设置机械负荷 14

3.2.3 排气歧管热应力分析 15

3.2.4 排气歧管热变形分析 16

3.2.5 排气歧管总应变分析 16

3.3 排气歧管优化改进 17

3.4 本章小结 17

第 4 章 全文总结与展望 19

4.1 全文总结 19

4.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

绪论

论文选题的目的和意义

一个国家的汽车行业的发展水平严重影响着这个国家的经济发展水平，随着人们经济水平的显著提高，人们的消费观念意识已经逐步改变，越来越多的人能够买的起汽车并且愿意买汽车。在这种情况下，汽车行业也在迅猛发展，交通工具的种类和数量都迅速提高。虽然，在我们日常生活中，交通工具的存在大大提高了我们的出行效率，但是也给我们带来了诸多问题，比如交通问题，污染问题，噪声问题，排放问题等等。随着环保意识的越来越普及，越来越多的人开始注重汽车排放问题，同时国家对汽车排放的要求也越来越高，汽车工作者必须设计更加优良的排气系统，以减少汽车的排放。而排气歧管是汽车排放系统中最重要的一部分，其结构和性能严重影响汽车的排气系统，甚至汽车的整车性能。因此越来越多的人投入对排气歧管的研究中，从而产生更加优良的排气歧管。

排气歧管的失效是由于多方面的原因造成的，主要是由以下几个方面原因。气缸中排出的高温气体过高导致排气歧管产生裂纹，进而导致排气歧管发生漏气现象。在不停振动及高温的作用下排气歧管密封垫破坏，进而导致排气歧管失效等等。如果要对排气歧管的失效做出准确的判断，就需要对排气歧管失效的各个方面做大量实验进行研究，这无疑是一个巨大而耗时的事情。从以往的研究中可知，排气歧管的失效主要是由于热负荷等原因造成，这是由于排气歧管在排气系统中与发动机缸盖直接相连，各缸中产生的高温气体直接进入排气歧管，在高温气体的作用下，排气歧管的温度远高于外界环境温度，同时又因为排气歧管受到振动等的影响，导致其工作环境十分恶劣，在汽车运行过程中很容易造成排气歧管的失效。

汽车在实际运行过程中，会有停机、启动工作、稳定工作等不同的工况。发动机在运行工作时，在高温气体的作用下导致排气歧管的温度远高于周围环境温度，而在停机状况下排气歧管温度又会恢复至周围环境温度。发动机在这种不停的停机、工作等循环工况下，会受交变载荷的作用，进而产生较大的热应力，而每种材料都会有自己的屈服极限，如果热应力超过了屈服极限，排气歧管就会产生变形，如果变形过大，排气歧管就会破坏甚至断裂。如今随着发动机性能的提高，排气歧管的热负荷也越来越大，必将对发动机排气歧管有更高的要求。通过对发动机排气歧管温度场、热应力、热变形等的研究，分析其结果，对排气歧管结构中可能会出现危险的部分进行优化改进，以便设计出更加优良合理的排气歧管。

在以往对排气歧管温度场，热应力等的研究中，相关的研究工作者主要是通过在试验台上做大量的实验来验证排气歧管的可靠性，这种方法虽然结果比较精确，但是也会给人们造成相应的困扰，大大浪费了时间。目前，随着计算机技术和计算机软件的发展，计算能力取得巨大进步以及人们已经能够利用计算机进行三维模型的建立。并且随着流体力学、传热学等相关理论知识的发展完善 ，现在人们已经可以通过计算机进行三维建模，然后再通过有限元软件进行仿真分析，可以快速而又准确得到相关结果。在这种情况下，人们的工作周期大大缩短。目前，有限元仿真分析已经广泛应用于排气歧管热应力分析的过程当中。

国内外研究现状

目前，汽车行业正在以高速发展，汽车的各项性能都得到了普遍提高，但同时对发动机的要求也越来越高，发动机的各项功能都得到了普遍提高，但伴随着发动机功率的提高，导致进入排气歧管的气体的温度也在不断的升高，发动机排气歧管在高温、振动等多种复杂载荷的工况下，它很容易出现失效断裂现象，进而导致排气歧管的漏气现象，从而影响发动机的性能。因此，现在许多发动机的研发人员已经将排气歧管的失效断裂作为影响发动机性能的一个很重要的原因，对它进行广泛深入的研究，以改进排气歧管，提高发动机性能。

2003年，S. H. Dropps等^[1]对排气歧管进行了瞬态热应力分析，并通过热应力结果分析了排气歧管热疲劳寿命，且所得结果十分合理。2004 年，Yasar Deger^[2]等对某种柴油机排气歧管进行了在多种不同工作状况下的温度场计算，然后将所得温度场作为边界条件得出了相应的热应力场分布，结果表明排气歧管在高温气体交汇处温度最高，并根据相应结果对排气歧管进行了优化分析。2004年，KubaMasayuk等^[3]采用了体映射和面映射两种不同的耦合方式获得排气歧管的热边界条件，进而得到排气歧管热应力分布并依据所得到的结果对这两种方法的优缺点做了对比。2009年，Chenn Q. Zhou等^[4]在考虑了液冷式排气歧管材料的非线性问题，对液冷式排气歧管进行热应力分析。2014年，Chun.Chen等^[5]通过计算排气歧管的温度场和热应力进而研究了发动机排气歧管的开裂问题。2005年，李红庆等^[6-7]通过对排气歧管的内流场和外流场分析得到流体外壁面的温度场和对流换热系数，并以此得到温度场进而将温度场作为边界条件得出排气歧管热应力，最后依据结果对排气歧管进行改进。2006 年，李伟等^[8]分析了发动机在停机、启动、稳定工作等多个工况下排气歧管发生热疲劳断裂问题的原因，并依据所得结果对排气歧管的材料结构进行了优化。2009年，董非等^[9]通过采用直接转热、面映射和体映射三种不用的方法对发动机排气歧管进行了热应力分析，并对这三种方法所产生的热应力结果进行对比分析。2009年，周祥军^[10]通过对排气歧管进行内流场分析，进而把内流场得出结果作为边界条件映射到排气歧管的固体区域上计算得到温度场，依据温度场计算出排气歧管的热应力并对热应力大的位置进行了结构优化。2011年，邓帮林等^[11]通过采用双向流固耦合的方法来对某排气歧管进行热应力分析，流体区域与固体区域的结果相互影响，使得排气歧管热应力的计算结果更接近实际情况，更为准确可靠。2012 年，曹元福等^[12]虑了排气歧管辐射换热和排气歧管材料的非线性条件下对排气歧管进行了热应力和等效塑性变形分析。2013年，刘晓宇^[13]对某种排气歧管在两种不同的约束条件下进行了热应力分析，得到了约束处变形减小但应力增加。2013年，李雪妮^[14]计算了排气歧管在稳态温度场和非稳态温度场下的热应力，并进行了对比分析，排气歧管在非稳态温度场下比在稳态温度场下会产生更大的等效塑性应变。2013年，徐世龙^[15]通过模拟汽车发动机在停机冷却和正常工作等状态的循环过程，根据所产生的等效塑性应变幅来预测估算排气歧管的工作可靠性。2015年，刘勇^[16]模拟排气歧管在停机和工作六个循环工况下的工作情况，计算每个循环过程中的热应力和热变形，并对每个循环过程中所产生的结果进行对比分析，并依据结果分析对排气歧管进行优化改进。2016年．刘凯敏等^[17]进行了增压汽油机在交变载荷作用下的瞬态温度场、应力场和应变场，并以此为根据进行了热疲劳寿命的计算。2016年，蒋宇^[18]计算了不同的排气歧管歧管壁厚、材料线膨胀系数、屈服强度及弹性模量下排气歧管热应力。2016年，张玉声^[19]通过对排气歧管进行热应力分析，热疲劳分析，热模态分析，依据结果对排气歧管进行结构优化。2016年，朱占元^[20]通过流固耦合换热的方法计算了某紧耦合式排气歧管的温度场，并根据所生成的温度场进行了热模态、热应力、等效塑性应变的计算，之后依据所得的结果预测排气歧管的危险区域并进行改进。2016年，陈亚飞^[21]对六缸柴油机排气歧管进行了内流场和温度场分析，并对排气歧管装配体进行热机疲劳应力分析。2017年，郑习娇、陈吉清等^[22]采用不同的入口边界计算排气歧管温度场和热应力，进而对排气歧管进行优化设计从而提高排气歧管使用寿命。2017年，李党育等^[23]对耐热铸钢排气歧管的失效形式进行分析，主要是因为含有非金属杂质，并提出相应的解决方案。2018年，罗凡^[24]某柴油机的缸盖-排气歧管进行了热-机械应力分析，并对其进行热机械可靠性分析。2018年，田大洋等人^[25]对某不锈钢半壳焊接式排气歧管进行了六种不同结构形式热应力分析，并提出了结构优化的方法。2018年，王静^[26]对冲压成型的的排气歧管进行热应力分析并与正常排气歧管热应力对比分析，得出冲压成型对排气歧管热应力的影响。

ANSYS软件介绍

ANSYS是一种融合流体、电磁、热、结构等于一体的大型有限元分析软件，目前可应用于多种领域，能够进行流体分析、磁场分析、热分析、应力分析等。经过多年的发展ANSYS软件已经逐步完善，基本形成了三大核心体系： CFD体系、MCAE体系、CEM体系。它们不仅可以在各自领域进行独自分析，同时还可以进行联合分析。ANSYS有限元软件的前处理模块主要为建模、网格划分、施加载荷。建模有自上而下和自下而上两种建模方式。网格划分有延伸划分、自适应划分、映像划分、自由划分四种网格划分方式。而载荷包括各种边界条件及外部或内部的作用力，主要分为自由度约束、体载荷、面载荷、力、耦合场载荷和惯性载荷六大种类。同时ANSYS有限元软件拥有自己强大的计算模块，能对各种问题进行快速又准确得计算。后处理模块主要是对计算完成的结果进行查看。

本文主要是对发动机排气歧管进行温度场分析和热应力及热变形分析，主要用到的是ANSYS Workbench中的Steady-State Thermal模块和Static Structural模块，即稳态热分析模块和稳态结构分析模块，Steady-State Thermal模块进行稳态温度场分析而Static Structural模块进行稳态热应力分析和热变形分析。温度场分析中模型已经由企业提供，不需要自己建模，前处理过程中只需要对排气歧管进行网格划分以及施加载荷，因为网格划分结果对所产生的结果影响较小，所以采用自动划分网格，载荷为流体区域外表面的温度和换热系数以及排气歧管和空气的对流换热。通过其强大的计算能力得出排气歧管温度场。热应力热变形分析中模型及网格划分和温度场分析中一样，施加的载荷包括热载荷和机械载荷，热载荷为排气歧管温度场，机械载荷为螺栓预紧力以及进气口法兰盘和出气口法兰盘处施加的无摩擦约束。通过计算得出排气歧管热应力和热变形。

本文研究内容

本文根据某企业给我们提供的某种排气歧管模型，利用有限元分析软件ANSYS对排气歧管进行模拟仿真分析，主要为根据已知的内流场结果进行温度场分析，并根据温度场结果热应力和热变形分析，最后依据所得到的排气歧管热应力和热变形对排气歧管优化改进等。主要内容如下：

（1）根据已知的内流场的流体区域外表面温度和换热系数作为计算排气歧管温度场的边界条件，并根据排气歧管在实际工作情况下和外界空气之间的对流换热，通过计算得到排气歧管的温度场。

（2）根据上一步中得到的排气歧管温度场作为边界条件，并根据实际情况添加排气歧管入气口法兰盘和出气口法兰盘处五个螺栓的螺栓预紧力和以及合适的约束，通过计算最终得到排气歧管的热应力、热变形、总应变。

（3）根据所得到的发动机排气歧管温度场、热应力、热变形、总应变对排气歧管进行分析可能出现失效的地方，最后根据所得的结果以及查阅资料对排气歧管进行优化改进。

排气歧管温度场分析

温度场分析理论

汽车发动机排气歧管在正常工作过程中必然会存在热量传递问题，排气歧管的每个部分温度不是完全相同的，因此排气歧管在有温差的地方必然会存在传热。我们所学的传热学主要是是研究物体间热量传递的一门科学，目前所知的基本上所有的物体间都会存在热量传递存在，因为不可能有绝对相同温度的物体。物体间主要有三种基本方式进行热量传递：热辐射、热对流和热传导。而本文在发动机排气歧管温度场计算时，热传导起主要作用，热辐射和热对流影响较小。热传导主要存在于具有温差的不同物体之间或者同一物体具有不同温度的部分之间，微观描述为物体的分子、原子等微观粒子通过热运动而传递能量。热传导普遍存在于我们周围生活中，基本在所有的固体、液体和气体中都会发生。其中热传导在气体中主要表现为气体分子的扩散，而在固体和液体中主要通过微粒振动来实现。在现实生活中热传导主要发生在固体中，因为在流体中会发生热对流所以很难存在热传导。

本文以一维稳态平板内导热来说明导热问题。如图2.1所示。

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