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基于Abaqus的某增压柴油机排气歧管开裂失效分析及设计改进

徐颖韬，袁晓军，邹萍萍，魏涛

(江铃汽车股份有限公司，江西省南昌市330001)

AnalysisonCrackFailureoftheExhaustManifoldofATur-

bo-ChargedDieselEngineandDesignOptimizationbyAbaqus

XuYingtao,YuanXiaojun,ZouPingping,WeiTao

(JiangLingMotorsCo.,Ltd.,Nanchang330001,Jiangxi,P.R.China)

摘要:某直列6缸增压柴油机排气歧管在台架耐久试验中出现开裂。为分析原因，基于Abaqus分析软

件，应用有限元（FEA）-计算流体力学（CFD）耦合方法对排气歧管进行了热应力分析。分析结果表

明，发生开裂的区域为高塑性应变区，从而推断导致排气歧管开裂原因为热力耦合应力作用下产生的

塑性变形所致，即失效形式为热机械疲劳（thermomechanicalfatigueorTMF）。以等效塑性应变

（equivalentplasticstrainorPEEQ）作为塑性变形的衡量对排气歧管进行了设计改进。改进后的排气歧

管顺利通过发动机台架耐久试验考核。

Abstract:AthermomechanicalfatigueanalysiswasconductedemployingacoupledFiniteElementAnalysis

(FEA)-ComputationalFluidDynamics(CFD)methodonthecrackfailureoftheexhaustmanifoldforanin-

line6-cylinderturbo-chargeddieselengineunderthedurabilitytestbyAbaqus.Analysisresultsshowedthat

thecrackstookplaceatlocationswithhighplasticdeformations,suggestingthatthecauseofthefailurebe

thermomechanicalfatigue(TMF).Usingtheequivalentplasticstrain(PEEQ)asameasurefortheplastic

deformation,theexhaustmanifolddesignoptimizationwasconducted。Absolutely，theoptimizeddesignfor

theexhaustmanifoldhadpassedtheenginedurabilitytestsuccessfully.

关键词:增压柴油机;排气歧管;有限元分析;计算流体力学；耦合分析;热机械疲劳

Keywords:Turbo-chargeddieselengine;exhaustmanifold;FEA;CFD；coupledanalysis;TMF

0概述

为了满足不断提升的节能减排法规要求，柴油发动机的增压程度随着对EGR率要求的提高而不断提高，

高增压的一个直接效应就是提高了发动机排气歧管的热负荷。排气歧管是一个在恶劣的换热条件工作的高

温部件：它的内表面和高温燃气相接触并受脉动燃气流动的强烈冲刷因而具有很强的对流换热，而外表面

则以弱对流和热辐射向环境散热；由于增压发动机排气侧部件多及布置空间限制，排气歧管外表面向环境

散热受到很大制约，内外两侧散热能力的不匹配使排气歧管金属温度可达摄氏700度或更高。近年来随着

发动机增压程度的不断提高，有关排气歧管开裂失效的报道越来越多，用于数值模拟方法评估排气歧管的

安全性也日益受到重视。

图1为某直列6缸增压柴油机在发动机额定功率耐久试验中遇到的排气歧管开裂失效，裂纹位置在歧

管和总管的两个结合处。经排查，其材料及铸造质量均合格，故建议使用CAE的方法确定该失效机理是否

属于热机械疲劳。本文基于Abaqus分析软件，应用有限元分析（FEA）-计算流体力学（CFD）耦合方法对

该排气歧管的失效机理进行了分析，并根据分析结果对排气歧管进行了设计改进。

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图1.某增压柴油机排气歧管的开裂失效

1基于Abaqus的FEA-CFD耦合分析

排气歧管的热应力-应变分析