陳正國 楊小東 褚霞 齊冬亮 張輝

摘要：為探究溫度循環(huán)載荷下排氣凈化器的熱疲勞性能，結合傳熱分析和靜力學分析，采用有限元軟件HyperMesh和Abaqus，對某型乘用車排氣凈化器進行深入研究，考慮高溫效應和材料硬化效應的影響，選擇等效塑性應變幅值作為評價熱疲勞的關鍵指標，分析得到危險點等效塑性應變幅值為0.011?7，不滿足熱疲勞耐久要求。對原排氣凈化器的下支架進行翻邊處理，得到的新排氣凈化器的等效塑性應變幅值最高為0.008?7，滿足熱疲勞耐久要求。

關鍵詞：排氣凈化器;熱疲勞;傳熱;有限元

中圖分類號：TP391.99;U464.134.4

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2021）03-0044-05

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.008

Abstract：To?study?the?thermal?fatigue?performance?of?exhaust?converter?under?temperature?cyclic?load，?an?depth?study?on?an?vehicle?exhaust?converter?is?carried?out?combined?with?heat?transfer?analysis?and?static?analysis?by?finite?element?software?HyperMesh?and?Abaqus.?Considering?the?high?temperature?effect?and?material?hardening?effect，?the?thermal?fatigue?is?evaluated?taking?the?equivalent?plastic?strain?amplitude?as?the?key?index.?It?shows?that?the?equivalent?plastic?strain?amplitude?at?the?dangerous?point?is?0.011?7，?which?does?not?meet?the?requirements?of?thermal?fatigue?durability.?The?lower?support?of?the?original?exhaust?converter?is?flanged，?and?the?maximum?equivalent?plastic?strain?amplitude?of?the?new?exhaust?converter?is?0.008?7，?which?meets?the?requirements?of?thermal?fatigue?durability.

Key?words：exhaust?converter;thermal?fatigue;heat?transfer;finite?element

0?引?言

汽車排氣凈化器承受高溫載荷和劇烈振動，其結構可靠性一直是重要研究領域[1-7]。YOSHIMASA等[3]基于標準試樣，對排氣歧管的熱疲勞性能進行初步分析;CHINOUILH等[4]通過實驗測試和有限元分析研究排氣歧管的熱疲勞性能。國內學者董勁等[8]采用2個加熱-冷卻循環(huán)加載進行熱機疲勞分析，并采用第2個循環(huán)的等效應變增量評估排氣歧管的熱疲勞性能;李相旺等[9]采用熱應力值表征增壓發(fā)動機排氣熱端的熱疲勞性能;張涵宇等[10]進一步利用Manson-Coffin理論預測高鎳鑄鐵排氣歧管的熱疲勞壽命。

本文借簽已有研究成果，同時考慮高溫因素和材料循環(huán)硬化的影響，采用5個加熱-冷卻循環(huán)進行熱機疲勞分析，采用等效塑性應變幅值評價排氣凈化器的熱疲勞性能，對原凈化器結構進行分析和優(yōu)化，使其滿足熱疲勞耐久指標要求。

1?關鍵技術和理論

1.1?凈化器分析建模

凈化器熱疲勞分析模型包括增壓器、進氣法蘭、進氣蚌殼、筒體、出氣蚌殼、出氣法蘭、中間支架、下支架等結構，各子部件支架采用焊接工藝連接在一起，法蘭之間、支架之間采用螺栓連接。

采用有限元軟件HyperMesh生成凈化器有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為105?426個，凈化器網(wǎng)格模型及可能的危險點見圖1。大部分結構（包括蚌殼、筒體、中支架、下支架等）采用四邊形殼體單元，進氣法蘭采用六面體實體單元，增壓器采用四面體實體單元。

模型載荷設置、分析過程設置采用有限元分析軟件Abaqus完成，包括傳熱分析Heat?Transfer和通用靜力學分析Static。對增壓器進氣法蘭、中支架、下支架的安裝螺栓孔位置進行固定約束（見圖1中的三角形標識）。

在發(fā)動機試驗過程中，中支架與筒體的焊接處容易產(chǎn)生裂紋，因此將該區(qū)域作為危險點。

1.2?材料參數(shù)

排氣凈化器采用SUH441不銹鋼材料，該材料具有較好的高溫強度和抗氧化性能，其彈性模量和屈服應力隨溫度的變化曲線分別見圖2和3。隨著溫度上升，SUH441不銹鋼材料的彈性模量和屈服應力都明顯下降：常溫下材料的彈性模量為201?GPa，800?℃時下降到85?GPa;常溫下材料的屈服應力為320?MPa，800?℃時下降到23?MPa。

SUH441不銹鋼材料膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線見圖4，800?℃時材料的膨脹系數(shù)為1.3×10-5K-1。SUH441不銹鋼材料導熱系數(shù)隨溫度的變化曲線見圖5，800?℃時材料的導熱系數(shù)為34?W/（m·K）。

1.3?材料模型

在循環(huán)載荷作用下，材料存在明顯的硬化效應，分為隨動硬化和各向同性硬化2種形式。

在隨動硬化狀態(tài)下，材料的屈服面在應力空間下的非線性外移效應可以表示為

式中：α為背應力;σ0為屈服應力;p1為等效塑性應變;C和γ為材料的硬化參數(shù)。

在各向同性硬化狀態(tài)下，材料的屈服面增長效應符合指數(shù)法則，可以表示為

式中：σ|0為初始屈服應力;Q∞為材料極限常數(shù);b為材料塑性應變常數(shù)。

采用Manson-Coffin公式進行材料疲勞壽命和指標預測[11]，其理論表達式為

式中：Δεp1為1次塑性應變幅值;Nf為材料疲勞壽命;a和C為材料參數(shù)，一般a取值為0.5～1.5，C由材料本身特性決定。

SUH441不銹鋼塑性應變幅值Δεp1與疲勞壽命Nf的關系曲線見圖6。隨著塑性應變幅值的增大，疲勞壽命迅速下降。本文取疲勞壽命為3?000次對應的塑性應變幅值Δεp1作為疲勞強度的評價指標，Δεp1<0.01。

1.4?加載歷程

首先，進行傳熱分析。采用Heat?Transfer完成，輸入溫度為凈化器實際工作過程中的測試結果。發(fā)動機臺架測試試驗現(xiàn)場照片見圖7，采集到的排氣溫度曲線見圖8。在發(fā)動機加速過程中，最高排氣溫度為850?℃。傳熱分析考慮對流和輻射對凈化器表面溫度的影響。

然后，進行Static靜力學分析，輸入?yún)?shù)為第1步分析生產(chǎn)的溫度場。由于材料存在硬化效應，所以進行多次循環(huán)分析獲得穩(wěn)定的應力應變結果。試驗采用5個加熱-冷卻循環(huán)，其溫度加載歷程及其測試結果見圖9。

第1個分析步為加熱工況，將凈化器由室溫Troom加熱至最高溫度Tmax;第2個分析步為冷卻工況，將凈化器溫度由最高溫度Tmax降低至室溫Troom：重復進行5個循環(huán)，模擬凈化器經(jīng)歷5個加熱-冷卻循環(huán)，共10個分析步。Δ

值采用第i個冷卻循環(huán)結束與第i-2次冷卻循環(huán)結束2次pl差值除以2的商，后續(xù)研究選擇第10個分析步（第5個冷卻工況）與第8個分析步（第4個冷卻工況）的pl差值除以2的商評價結構的熱疲勞性能。

2?計算結果與分析

2.1?溫度分析結果

凈化器溫度分布云圖見圖10。由此可以看出，排氣凈化器進氣蚌殼表面溫度約為817?℃，中支架與筒體焊接附近區(qū)域（即危險點）溫度約為451?℃，下支架翻邊處溫度約為349?℃。

2.2?應變分析結果

第2個冷卻工況后凈化器的塑性應變分布云圖見圖11。支架1與筒體的焊縫附近（即危險點）存在失效風險，此處等效塑性應變pl為0.13。

危險點動態(tài)應力-應變曲線見圖12。

在第1個加熱過程中，危險點應力-應變按圖12中路徑1（1）—1（2）—1（3）變化，材料發(fā)生明顯塑性變形，表現(xiàn)為壓縮狀態(tài)，總應變?yōu)?.014，應力值為289?MPa。

在第1個冷卻過程中，危險點應力-應變按圖12中路徑1（3）—1（4）—1（5）變化，應變值逐步減少為負值，表現(xiàn)為拉伸狀態(tài)，最大應變?yōu)?0.007，應力值為-406?MPa。

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料表現(xiàn)出明顯的硬化效應，應力-應變環(huán)向左偏移，應變幅值不斷變小，應力幅值不斷變大。初始彈性應力幅值為282?MPa，第5個循環(huán)的彈性應力幅值增至427?MPa。

2.3?等效塑性應變幅值Δpl

原凈化器危險點的Δpl隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線見圖13。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，Δpl不斷降低，并趨于穩(wěn)定。選擇第5個冷卻工況的Δpl值作為評價熱疲勞的關鍵指標。

第5個冷卻工況Δpl的分布云圖見圖14，危險點表現(xiàn)出明顯的高水平區(qū)域，Δpl值為0.012，不滿足熱疲勞耐久指標要求（小于0.010），存在熱疲勞失效的風險。因此，必須對原凈化器結構進行優(yōu)化，降低危險點的Δpl水平，提高熱疲勞性能。

2.4?優(yōu)化效果驗證

對原凈化器結構進行優(yōu)化，考慮中支架在加熱過程中容易扯動筒體，優(yōu)化方案考慮取消中間支架，見圖15。

優(yōu)化方案的Δpl分布云圖見圖16。取消中支架后，最大塑性應變區(qū)域轉移至下支架翻邊處，其Δpl值為0.008?7，滿足材料熱疲勞耐久指標（小于0.01），由此說明該優(yōu)化方案可行。

3?結束語

結合傳熱分析和靜力學分析，對溫度循環(huán)載荷下排氣凈化器的熱疲勞性能進行深入研究，考慮材料的硬化效應，研究載荷循環(huán)次數(shù)對等效塑性應變Δpl的影響。研究發(fā)現(xiàn)，凈化器危險點的Δpl值為凈化器0.011?7，不滿足熱疲勞要求，存在斷裂風險。取消中支架，對原有凈化器進行結構優(yōu)化，最大塑性應變區(qū)域轉移至下支架翻邊處，下支架翻邊區(qū)域的Δpl值為0.008?7，滿足熱疲勞耐久指標要求。分析結果為評價凈化器結構熱疲勞性能、解決熱疲勞斷裂問題提供技術支持。

參考文獻：

[1]USAN?M，?de?WECK?O，?WHITNEV?D.?Exhaust?system?manifold?development?enhancement?through?multi-attribute?system?design?optimization[C]//?Proceedings?of?46?th?AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC?Structures，?Structural?Dynamics?and?Materials?Conference，?2005.?Texas：AIAA.?DOI：10.2514/6.2005-2066.

[2]?楊小東，?李東晗，?齊冬亮，?等.?乘用車排氣凈化器頻響分析方法[J].?計算機輔助工程，?2019，?28（1）：18-21.?DOI：10.13340/j.cae.2019.01.004.

[3]?YOSHIMASA?W，?KAZUHIKO?S，?SHOGO?I，?et?al.?Thermal?fatigue?life?prediction?for?stainless?steel?exhaust?manifold[J/OL].?（1998-02-23）[2021-07-15].?https：//www.sae.org/publications/technical-papers/content/980841/.?DOI：10.4271/980841.

[4]?CHINOUILH?G，?SANTACREU?P?O，?HERBELIN?J?M.?Thermal?fatigue?design?of?stainless?steel?exhaust?manifolds[J/OL].?（2007-04-16）[2021-07-15].?https：//www.sae.org/publications/technical-papers/content/2007-01-0564/.?DOI：10.4271/2007-01-0564.

[5]?黃彤彤，?張愛軍，?李發(fā)宗.?發(fā)動機排氣管熱疲勞分析[J].?機械工程師，?2017（3）：21-23.?DOI：10.3969/j.issn.1002-2333.2017.03.010.

[6]?陳園明，?張應兵，?朱凌云，?等.?某汽油機排氣歧管熱機疲勞分析[J].?內燃機與動力裝置，?2015，?32（3）：18-20.?DOI：10.3969/j.issn.1673-6397.2015.03.005.

[7]?唐鵬，?付景順.?排氣歧管熱負荷研究[J].?汽車實用技術[J].?2017（10）：56-58.?DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.020.

[8]?董勁，?趙騫，?王希杰，?等.?汽車排氣歧管熱機械疲勞CAE分析方法[J].?內燃機，?2014（1）：45-47.?DOI：10.3969/j.issn.1000-6494.2014.01.013.

[9]?李相旺，?黃鳳琴，?張志明，?等.?某增壓發(fā)動機排氣熱端耐久性分析與優(yōu)化[J].?汽車工程，?2017，?39（10）：1130-1135.?DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.006.

[10]?張涵宇，?于善虎，?王本超，?等.?某型高鎳鑄鐵排氣歧管熱疲勞壽命預測[J].?汽車工程，?2017，?39（8）：943-950.?DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.014.

[11]?MANSON?S?S.?Fatigue：A?complex?subject：Some?simple?approximation：NASA-TM-X-52084[R/OL].?（2021-01-01）[2021-07-15].?https：//link.springer.com/article/10.1007/BF02321056.?DOI：10.1007/BF02321056.

（編輯?武曉英）