基于瞬态过程的增压器蜗壳开裂分析_路明.pdf

年第期产品分析基于瞬态过程的增压器蜗壳开裂分析路明，李云涛，蓝军，孙谦（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，宁波 ）摘要：在台架试验中，增压器蜗壳在稳定循环的耐久试验中并没有发生失效问题，但在冷热冲击试验中却发生了多次开裂问题，为了研究冷热冲击试验中增压器蜗壳开裂的问题，本文基于瞬态温度场结果，得到整个循环下的增压器蜗壳温度场分布，并基于瞬态温度场结果进行应力分析，计算低周循环下的增压器蜗壳塑性应变，对比有无压壳支架对蜗壳的影响，并基于分析结果对增压器蜗壳进行优化。分析结果表明，蜗壳支架虽然对整个系统的模态有一定的影响，但冷热交替过程中产生较大的热应力是导致蜗壳开裂的主要原因，优化后的模型可以有效的降低蜗壳的塑性应变。关键词：低周循环；塑性应变；有限元；瞬态分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，、，：；作者简介：路明（），男，汉族，辽宁营口人，硕士研究生，工程师，研究方向：发动机等零部件结构耐久疲劳分析工作。发动机在额定工况持续运行时，虽然此时的温度较高，稳定的高温工况虽然会降低材料的机械性能，但振动等机械载荷并不会对部件造成很大的机械应力，龚金科、王鹏等基于稳态的温度场，对额定工况下的排气歧管和增压器进行了分析，得到部件的应力结果。一般情况下稳定循环工况并不会对部件造成失效。但交变类试验导致部件发生高低温的变化，此过程会产生较大的热应力，使结构产生较大的塑性变形，导致部件发生低周疲劳破坏。图冷热冲击试验蜗壳开裂位置本文在瞬态温度场的基础上，分析增压器蜗壳三个低周循环下的累积塑性变形，同时对比分析压壳支架对增压器蜗壳的影响，找出开裂的主因，并基于分析结果对结构进行优化。如图所示。有限元分析模型为了充分考虑增压器温度的影响，有限元模型包括缸体、缸盖、增压器组件、催化器组件、蜗壳支架、压壳支架以及催化器支架等。由于瞬态分析的分析步较多，分析周期长，因此要控制网格数量，提高分析效率，缸体缸盖部位并不是本次分析重点考虑的区域，因此只保留一半的结构，并且在划分网格前对不需要的特征进行简化，包括不关注的螺栓孔、油孔、倒角等结构，从而减少网格和节点数量，有限元网格均使用二阶四面体单元，整体模型网格数量共 ，各部分网格情况如表所示，温度边界包括燃烧室气体边界、排气系统气体边界、缸体缸盖水套边界以及润滑油边界等。如图所示。表网格划分情况部件网格类型网格数量节点数量缸体 缸盖 增压器组件 催化器组件 支架 其他 DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.026内燃机与配件 图有限元分析模型瞬态传热分析理论介绍瞬态的传热过程是指系统的加热或是冷却的过程，而系统的温度、热边界条件、热流率都会在这个过程中随时间的改变而改变。一般常物性的瞬态温度场计算的控制方程为：（）（.）式中，表示使用材料的密度，表示使用材料的热容，表示时间，而、表示坐标轴。经过有限元离散后，其瞬态的热导方程为：（.）式中，表示热熔的系数矩阵，表示为组件节点的温度对时间的导数的矩阵，对（.）式进行向后的差分，可以得到下式：（）（.）通过对.式进行数值的迭代求解，可以计算得到组件的节点温度值。瞬态温度场分析温度循环主要考虑冷热冲击试验的实际运转工况，发动机转速以及水温控制如图所示，由于整个过程只考虑发动机外特性，因此认为负荷均为 ，实线为理论控制值，虚 线 为 实 测 的 发 动 机 转 速 及 水 温，每 个 循 环 共 ，其中升温段和保持段共 ，降温段和保持段共 。发动机转速在 时提升到全速全负荷后保持到 ，随后经 过 的 时 间 下 降 到 怠 速 工 况，并 保 持 到 ，而水温则大概经过 的时间升到最高并持续到 ，随后经过 的时间降到最低，并持续到 ，整个过程转速的变化率较大，而水温的变化比较缓和。图试验转速及水温控制过程图最高温度工况分布云图整个循环的温度场计算其实是个准瞬态的过程，即由多个稳态下的特性点连成一个瞬态的过程，增压器蜗壳最高温度工况分布如图所示，其中温度最高点在蜗壳内部。蜗 壳 上 的 最 高 温 度 可 达 ，断 裂 位 置 的 最 高 温 度 ，在 过程中温度上升，在 过程中温度下降，其中升温开始阶段上升比较明显，这是由于转速迅速提高，此时气体温度快速达到最高值，而随着水温也达到最高值后，温度上升趋于平缓，在降温段开始阶段温度下降比较剧烈，这是由于转速迅速降到怠速工况，此时气体温度下降明显，同样随着水温降到最低后，温度变化趋于平稳，整个过程 点的温差可达 ，点温差为 。如图所示。图两点温度历程循环应力分析循环应力分析不考虑周期变化的机械载荷，只考虑装配载荷以及瞬态温度场载荷，图为循环应力工况示意图，有限元计算工况与温度场工况一一对应，同时计算三个循环的应力情况，考察增压器蜗壳的应力变化以及累积塑性应变。图循环应力分析工况图高温工况的增压器蜗壳应力分布图为增压器壳体在图中高温点时的应力分布情况，可以看出，在最高温度的工况时，增压器蜗壳的远端部分受热膨胀较大，而与发动机缸盖的连接法兰处由于受到约束的影响随着发动机缸盖一同变形，总体的膨胀量较小，因此在过渡部位刚度变化较大的位置容易产生应力集中的情况。图显示的是图中回到怠速工况位置的应力分布情况，可以看出，在温度降到最低的时候，增压器蜗壳整体收缩，增压器蜗壳远端几乎又回到原位置，远端在一个循环中的位移量远高于法兰附近。年第期图低温工况的增压器蜗壳应力分布、两点的拉应力历程如图所示，可以看出 点最大应力出现在循环末，在升温阶段 位置向外膨胀，此时并未产生较大的拉应力，而在降温收缩阶段，由于结构的限值产生了较大的拉应力，最大值为 ，而 位置在升温时便产生了较大的拉应力，这是由于位置靠近增压器连接法兰，法兰固定在缸盖上限制了蜗壳的膨胀，在拐角处产生明显的拉应力，最大值为 ，而整个循环剧烈的应力变化就会导致低周疲劳开裂。图应力历程图 为带不带压壳支架对点位置应力的影响，可以看出，压壳支架对该位置应力的变化几乎没有影响。图 带不带支架应力历程图 塑性应变分布高低温变化产生的较大的热应力，会使位置产生较大的塑性应变，如图 所示，可以看出在试验开裂位置的塑性应变最大。带不带压壳支架的塑性应变历程如图 所示，从塑性应变结果可以进一步证明压壳支架对开裂并没有明显的影响，三个循环下塑性应变及累积应变如表所示，可以看出，每个循环均有较大的塑性变形，最终三个循环累积的塑性变形达到了 以上，并且塑性应变没有达到稳定，在后面的循环中还会继续累积，这是导致试验开裂的主要原因。另外，从塑性应变的累积过程可以看出，累积的过程发生在每个循环前 转速快速增加的过程，此过程结构温度快速上升，而在转速持续阶段塑性应变并无增加。然后在 转速快速降低的过程中塑性应变又开始累积，此时结构温度快速降低，在接下来持续怠速的工况下塑性应变并无增加，且两个阶段对塑性应变的累积贡献几乎一致。图 塑性应变历程表塑性应变情况塑性应变循环循环循环累积带支架 无支架 结构优化图 优化方向由于热应力导致的低周疲劳开裂问题的优化思路有两个方向，一个是加强开裂位置的刚度，降低该位置的热应力，此方式有两个问题，一是若加强筋的倒角不能很好的控制，会导致别的位置发生开裂，二是会增加部件的重量和成本。另一个是减小开裂位置的刚度，使该位置能自由伸缩，减小加强筋的拉扯产生的热应力。本文尝试减小图 位置的加强筋，经过分析后塑性应变情况如表所示，单个循环以及累积的塑性应变有明显的降低，三个循环累积的塑性应变下降到，较原状态下降了 ，有非常明显的改善。表优化后塑性应变情况循环循环循环累积塑性应变 结论）基于瞬态温度场的有限元分析可以得到蜗壳在试验过程中受到的热应力以及塑性应变的变化情况；）通过瞬态有限元分析可以看出，蜗壳开裂的主因是该位置受到较大的热应力变化，产生了过大的塑性应变，导致的低周疲劳开裂；）通过对比，有无压壳支架对该开裂位置没有影响；）经过优化后，该位置的塑性应变有明显的降低。参考文献：龚金科，田应华，黄张伟等 基于耦合传热的涡轮增压器蜗轮 箱 有 限 元 分 析 中 国 机 械 工 程，（）：，王鹏 某发动机排气歧管的流动性能及热力学性能分析 大连：大连交通大学，刘凯敏，杨靖，张思远等增压直喷汽油机排气歧管低周 疲 劳 的 研 究 汽 车 工 程，（）：，邓帮林，刘敬平，杨靖等基于双向流固耦合的汽油机排气歧管热应力分析 内燃机学报，（）：王虎，桂长林。内燃机缸体冷却液流固耦合模型的共轭传热研究 汽车工程，（）：，