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Abaqus在排气岐管故障分析中的应用

胡国强刘文元

（广西玉柴机器股份工程研究院广西玉林537005）

摘要：某发动机在运行过程中，出现批量排气歧管开裂故障，前期通过流固耦合分析计算没有找到故障原因。后运用Abaqus

软件计算了该排气歧管的振动特性，计算结果表明：该排气歧管开裂是由于排气岐管一阶固有模态和发动机1阶次主谐量发生共

振所致。根据计算结果提出改进意见，经过试验和市场反馈表明改进措施是有效的。

关键词：发动机；排气歧管；振动特性。

1前言

某发动机配套某农用机械在使用过程中出现排气歧管开裂（见图1），因开裂处为排气歧管出气口处，初步分

析可能为热应力造成排气歧管的开裂，故首先用流-固偶合的方法分析了排气歧管的热应力

[1]，即先用BOOST软件

进行该发动机的热力学计算，得到该排气岐管进出口的流量、压力和温度，然后用FIRE软件计算排气岐管瞬态内

流场，得到排气岐管内壁面的对流换热系数和温度；再用FIRE软件进行发动机舱的模拟计算，得到排气岐管外壁

面的对流换热系数和温度；在排气岐管内外壁的对流换热系数通过流场计算得到以后，用非线性结构分析软件

ABAQUS计算排气岐管的温度场，然后再计算排气岐管热应力。计算结果最大热应力为68.3MPa,在材料的许用应力

范围之内，不足以引起开裂。本文将通过计算该发动机排气歧管的振动特性，找到该排气歧管开裂的原因。

图1排气歧管开裂故障图片

2排气歧管振动特性计算

2.1有限元模型和边界条件

2.1.1有限元模型

本报告共计算了四种方案排气歧管的振动特性，如下：

原型方案：有限元模型如图2所示；

改进方案Ⅰ：在原排气歧管的出口处增加加强筋，并将材料改为RuT300,以提高排气歧管的强度，有限元模

型如图3；

改进方案Ⅱ：此方案是根据上述两方案的计算结果，重新对排气歧管的流道结构优化设计后的有限元模型，

材料为RuT300，如图4所示;

改进方案Ⅲ：在改进方案Ⅱ的基础上，在排气歧管下方增加支架，支撑在机体上的排气歧管有限元模型，如

图5所示；

图2原型方案有限元模型图3改进方案Ⅰ有限元模型

图4改进方案Ⅱ有限元模型图5改进方案Ⅲ有限元模型

表1为各零件节点数和单元数，单元是10节点四面体单元。有限元网格用Hypermesh软件划分，在Patran

里施加边界条件，最后用Abaqus求解。

表1各零件的节点数和单元数

零件单元数节点数

排气歧管（原型方案）108072202784

排气歧管（改进方案Ⅰ）120573223052

排气歧管（改进方案Ⅱ）119843217653

排气歧管（改进方案Ⅲ）120347221912

排气接管3619767898

消声器1（点单元）1

2.1.2材料特性

表2是排气歧管振动特性计算各零件所用材料及材料特性、力学性能。

表2排气歧管的材料特性和力学性能

零件材料弹性模量(MPa)泊松比

排气歧管（原型方案）HT2501.13×1050.23

排气歧管（改进方案）RuT3001.65×1050.3

排气接管HT2501.13×1050.23

2.1.3边界条件

如图6所示，排气歧管和缸盖相连的端面A给定约束，消声器和排气接管之间用BEAM单元连接。

图6边界条件处理

2.2计算结果和分析

经计算得出排气岐管前5阶频率值，如表3，图7是原型方案和改进方案I第一阶模态振动应力分布云图，

图8是原型方案和改进方案I第二阶模态振动应力分布云图，图9是原型方案和改进方案I第一阶模态振型图，

图10是原型方案和改进方案I第二阶模态振型图。

表3排气岐管前5阶频率值（单位：Hz）

原型方案改进方案Ⅰ改进方案Ⅱ改进方案Ⅲ

1阶29.6231.4431.7932.41

2阶31.933.4434.3134.67

3阶134.08147.98149.28166.78

4阶236.22272.27285.41288.15

5阶851.74956.23956.651110.9

此排气系统一阶固有频率是29.62Hz，其2阶主谐量对应的共振转速是888rpm，其1阶次主谐量对应的共振

转速是1777rpm，发动机的常用转速是1600rpm～2200rpm，其1阶次主谐量对应的共振转速在发动机的常用转速

范围内。从参考文献[2]中得知由于路面不平顺导致的拖拉机激励频率范围在0～20Hz之间，又从图7中可以看出

排气歧管振动应力最大处和图