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[发动机] 发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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发表于 2016-1-6 22:38:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

        图1 缸体的CAE模型爆炸图

        本文基于ABAQUS的瞬态温度场计算、热固耦合计算和非线性接触分析功能,分析了某发动机排气歧管在冷热循环过程中的温度历程与密封性能。分析中考虑了螺栓预紧力和发动机热载荷的共同作用,模拟了发动机由静止到最大功率点,再到拖冷却过程中密封性能的变化趋势,探讨了影响排气歧管密封性能的主要因素和危险工况,对排气歧管密封垫片的性能曲线提出了明确要求,为设计开发提供了指导。
        排气歧管是发动机工作条件最为恶劣的零件之一,工作过程中承受着从环境温度到近千摄氏度的温度变化,同时还要满足气密性与耐久性的要求。现代轿车发动机朝着小型化、高升功率的方向发展,排气压力也随之升高,这对排气歧管的密封性能提出了更高要求。如何分析排气歧管的密封性,如何考虑温度对密封性能的影响,这在以往的CAE计算中较少涉及。
        本文以某轿车用发动机为例,分析了发动机冷热循环过程中,排气歧管在装配载荷和冷热交替载荷共同作用下的密封性能,探讨了影响密封性能的关键因素和危险工况,对排气歧管密封垫片的设计提出了明确要求,为设计开发提供了指导。
        仿真模型与边界条件
        1.有限元模型
        根据排气歧管的装配关系,CAE仿真模型主要包括缸体、垫片、排气歧管和螺栓四个部件。其中,缸体、排气歧管与螺栓采用二阶实体单元,垫片采用ABAQUS特有的垫片单元进行模拟。为减小计算规模提高计算速度,缸体仅做出了靠近排气侧的半个模型,如图1所示。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        2.边界条件
        (1)换热边界条件:分析排气歧管在冷热循环过程中的变形与密封压力,首先需要根据试验循环条件来计算排气歧管的温度历程与分布。试验中,发动机要依次经历高转速全油门、倒拖和怠速等工况(如图2所示),以模拟现实中发动机运转升温、停机冷却的过程。通过CFD仿真计算,得到缸盖水套和排气道壁面在全油门、倒拖和怠速工况下的换热边界条件,导入ABAQUS瞬态传热分析模型计算排气歧管在冷热循环过程中的温度。温度场的计算为第三类边界条件,传热方程为(1)和(2)。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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(1)
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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(2)
        分析中需要注意一点,排气歧管工作过程中温度较高,辐射散热的作用不可忽视,计算模型中需要在排气歧管的外表面引入参数*SRADIATE考虑其影响。
        (2)装配载荷:装配载荷是指螺栓预紧载荷。由于螺栓在冷热交替载荷作用下会松弛,密封计算中考虑最恶劣的情况,在初始预紧力的基础上按一定比例打折。根据排气歧管的装配关系,分析中需要考虑排气歧管与垫片、缸盖与垫片、螺栓与缸盖、螺栓与螺母、螺母与排气歧管之间的接触作用。为提高计算收敛速度,除排气歧管与垫片、缸盖与垫片之间采用接触来模拟外,其余的接触对均采用Tie来模拟。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        3.计算工况
        根据排气歧管的装配与载荷特点,计算密封性能时需要考虑螺栓预紧力和发动机热载荷的共同作用。结合发动机冷热循环试验工况,可以将排气歧管密封分析分解为如下步骤,计算流程如图3所示。
        (1)通过CFD计算,获得排气道与水套在全负荷、倒拖和怠速下的换热边界条件。
        (2)将排气道与水套在不同工况下的计算结果按照试验顺序进行组合,施加到结构有限元模型中,通过瞬态传热计算,分析排气歧管在冷热循环过程中的温度历程与分布。
        (3)计算排气歧管在螺栓预紧载荷作用下的变形与密封压力。
        (4)在(3)的基础上,施加温度边界条件,计算排气歧管在装配与热载荷共同作用下的变形与密封压力。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        计算结果及分析
        1.排气歧管温度分布与历程
        排气歧管在冷热循环工况下的温度分布与历程如图4~图7所示。在高转速、全负荷工况下,排气歧管温度逐渐升高,临近该工况末端时,温度逐渐趋于稳定达到最大值。排气歧管最高温度出现在2、3排气道中部的加强筋处,但仍在材料允许的工作范围内;倒拖工况下,排气歧管快速冷却,但在该工况末端,温度分布并未达到稳定状态;在随后的怠速工况,排气歧管温度略微提升,但幅度和速度都很有限,整个排气管的温度分布趋于稳定。
        取排气歧管中部温度最高处为研究对象,做出其在冷热循环作用下的温度历程,如图7所示。分析可知:在两次高转速、全负荷工况的末端,排气歧管最高温度一致,这说明排气歧管温度分布已经达到稳定状态,可以将冷热循环历程用于后续结构变形与密封性能计算。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        2.垫片密封压力分布与历程
        排气歧管密封垫片在装配工况、全负荷工况、怠速工况下的压力分布如图8~图10所示。通过比较、分析三工况下的压力分布可知:
        (1)垫片压力主要集中在突筋和螺栓孔周围区域。在垫片本体区域,接触压力非常小,近似为零。由此可以认为,垫片的密封功能主要由突筋来实现,密封性能的好坏由突筋的压力特性保证。在接下来的密封分析中,主要关注突筋区域的接触状态。
        (2)装配工况下,突筋接触压力分布均匀而且数值较大,密封性能较好;全负荷热态下,突筋压力分布不均匀,接触压力明显下降,是密封性能的危险工况;怠速工况下的接触压力与分布均匀性介于装配和全负荷之间,当前设计更接近安装状态。
        (3)在最危险的高转速、全负荷工况,垫片中部区域密封压力下降明显,两端压力大大增加,密封压力载荷通过突筋传递的比重下降,对密封不利。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        图11为在装配与热载荷作用下,垫片突筋上A、B两点密封压力的时程曲线。如图,A点在1号排气道附近靠近外侧,B点在2号排气歧管附近靠近中部。对比A、B两点的压力曲线发现:在热载荷作用下,两者密封压力的变化趋势基本相反。在发动机由怠速到高转速、全负荷过程中,排气歧管温度快速升高,靠近外侧的A点密封压力随之增大,而靠近中部的B点密封压力却逐渐减小;在发动机由高速全负荷到怠速的过程中,排气歧管温度下降,靠近外侧的A点密封压力逐渐减小,而靠近中部的B点密封压力增大。
        A、B两点密封压力变化差异的主要原因是排气歧管法兰面的热变形。热变形后,排气歧管与缸盖之间的间距变化不均匀,导致突筋的压缩量发生变化。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        图12  排气歧管密封面变形(全负荷,放大100倍)

        3.排气歧管密封面变形
        高速全负荷下,排气歧管密封面的变形如图12所示。热态下,由于热胀冷缩不均匀,歧管外侧的1、4气道膨胀量大,中部的2、3气道膨胀量小,导致密封面变形成弓形,歧管中部与缸盖有分离的趋势。这种分离趋势使得垫片突筋的压缩量大大减小,从而降低了密封压力。取密封面上靠近B点的区域来研究,观察其在冷热循环载荷作用下相对缸盖的法向位移,如图13所示。由图可知:
        (1)高转速、全负荷作用下,排气歧管密封面与缸盖之间的距离会大大增加。相对初始安装状态,两者间距会大大增加。结合排气歧管垫片的CLD曲线可知,密封压力对歧管与缸盖间距很敏感,当两者距离增大时,密封压力快速下降。
        (2)怠速工况下,排气歧管与缸盖的间距也会增大,但与初始安装状态相比变化不大。
       

发动机排气歧管冷热循环过程中的密封性能分析

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        图13  排气歧管与缸盖密封面间距变化

        结语
        本文介绍了利用ABAQUS分析排气歧管瞬态温度场分布、排气歧管变形与密封压力的过程,探讨了影响排气歧管密封性能的关键因素,通过分析可知:
        (1)热载荷是影响排气歧管密封性能的关键载荷,通过CFD与结构传热分析相结合,可以预测排气歧管的瞬态温度分布,为密封计算提供边界条件。
        (2)高转速、全负荷工况是考核排气歧管密封性能的危险工况,单独计算常温下的安装工况不足以发现潜在泄露的风险。
        (3)密封垫片突筋的压力——变形特性是保证密封性能的关键因素。
        (4)在热载荷作用下,排气歧管密封面相对缸盖有分离的趋势。通过CAE计算两者间隙,要求垫片突筋在该间隙下能够保存足够密封压力。
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