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基于子模型的汽油机排气歧管结构优化分析

齐洋郭丽景建敏司庆九曾庆强卿辉斌杨帆

摘要：本文针对某发动机排气歧管开裂进行热机耦合可靠性分析。分析结果表明危险区域与试验台架发生断裂破环的危

险区域相吻合。运用Abaqus中的子模型分析方法,针对开裂区域进行快速、高效的优化方案对比分析，选择热应力及应

变幅值最优方案。通过试验台架验证，排气歧管隔板开裂情况有明显的改善。有效的CAE分析对项目开展及优化方案的

选择具有积极的指导意义。

关键词：排气歧管；开裂；子模型；热疲劳

Structureoptimizationofengineexhaustmanifoldbasedonsubmodel

Abstract:Inthispaper,thermalmechanicalfatigue（TMF)analysisforengineexhaustmanifoldwascarriedout.

Thecalculatedresultsareagreewellwithcrackswhichobservedforhigherloadedenginestesting.Submodels

whichprovidedbyAbaqusarebuiltaroundcriticalareas.Submodelsareusedfordetailedshapeoptimization,

whichhavetheadvantagethatcostingandtimeforeachoptimizationcycleisreduceddrastically.wechoosethe

bestsolutionthatcanobtainminimizationofplasticstrainrangeandthermalstress.Experimentaldatashowthatthe

predictcracksareasimprovedwell.TheeffectiveCAEanalysisishelpfultothefartherimprovementduring

project.

Keywords:exhaustmanifold;crack;submodel;thermalfatigue

0引言

发动机性能提高后，热负荷增加，排气歧管的失效案例增多。某发动机排气歧管开裂如图1所示。

根据CAE分析结果，可知裂纹为热疲劳引起的。本文针对开裂问题运用Abaqus软件对排气歧管进行优

化分析。

C

AB

图1排气歧管失效图对于排气系统热端分析，由于模型大，分析周期长，本文运用Abaqus提供的子模型方法[1]，这种

方法在进行局部模型分析的时候，极大地减小计算量。通过此方法分析，对比方案的有效性，大大的加

快分析效率。图2为排气歧管分析的流程。

1结构优化

开裂位置为排气歧管出口隔板，此处为排气歧管温度最高的位置。在高温条件下，材料刚度主要指

弹性模量、强度指屈服及抗拉极限都在急剧下降，在相同载荷下的蠕变速率也增大，这些都会使排气歧管高镍球铁材料产生很大的不可逆变形。不可逆的变形主要包含塑性变形和蠕变，尤其是在高温拉伸载

荷作用下，这种变形带来的开裂风险极大[2]。

解决这种开裂问题，主要根据排气歧管热变形，通过协调系统刚度的方法，降低开裂位置的温度梯

度及不可逆的塑变。此歧管开裂位置，由于出口法兰盘的刚度比较大，法兰盘对于出口分流隔板就如一

个约束，这个约束会使出口法兰盘与隔板的连接转弯处热应力过大。由于发动机的性能不变，故关注区

域的温度和温度梯度都不能降低，解除热膨胀方向的约束是降低热应力的主要措施[3]。对于排气歧管，出现开裂的位置要尽量避免有漏气的风险，针对现在的开裂情况，共提出三个优化方案。

图2排气歧管分析流程图。

2有限元模型

2.1全局分析模型

全局模型采用Hypermesh进行前处理，模型包含整个排气系统热端数据，主要有排气歧管、增压

器壳体、三元催化器总成、密封垫、紧固螺栓和虚拟缸体、缸盖等。如图3所示：

图3全局分析FE模型

2.2子模型

子模型是根据热疲劳裂纹出现的位置选取，选取的原则是根据圣维南原理。此分析共运用两个子

模型。

图4所示为子模型选取方案1，边界设置：在平行法兰平面为面驱动，在其他的切面用点驱动。

图5为子模型选取方案2，边界设置：在平行法兰盘平面用面驱动，其他切面用点驱动。

图4子模型1图5子模型2

3分析工况