一种基于流固耦合的排气歧管热强度的CAE分析方法与流程
本发明涉及计算机辅助工程领域，具体涉及一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法。
背景技术：
1、随着发动机动力提升，排放标准的日益严苛，缸内有效压力和燃烧温度不断上升，发动机排气温度越来越高。排气歧管连接着排气总管和发动机缸体，是承受热负荷最大的部件之一，工作环境极其恶劣。同时由于周边结构的约束限制，排气歧管可能产生较大的热应力和热应变，最终可能引起结构裂纹，漏气，并影响发动机排放性能。设计开发过程中，需进行排气歧管开裂耐久试验、冷热冲击试验来验证其可靠性，但试验耗时长，若结构失效，则需中断试验，影响项目进度。因此设计阶段有必要采用仿真分析方法评估排气歧管的结构合理性，保证后期试验的通过。
2、现有的技术方案中，在进行排气歧管热强度分析前，输入材料参数时通常仅输入热膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、热导率、比热容、熔点等基础物理和力学性能参数，这些理论上的数据无法展示材料在超出弹性区域后的应力和应变关系，进而无法完整模拟材料的塑性响应，会影响排气歧管的热强度分析结果，影响对排气歧管的结构合理性的评估，影响最终产品的性能和可靠性。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，根据高温实验下的材料数据拟合出材料的塑性应力应变曲线，并作为强度计算模型中材料参数的补充，能够展示材料在超出弹性区域后的应力和应变关系，进而完整模拟材料的塑性响应，提高柴油机排气歧管热负荷的分析效率及准确性。
2、为实现以上目的，本发明提出以下技术方案：
3、一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，包括以下步骤：
4、a) 应用star ccm+软件对柴油发动机的排气歧管内流场及外流场进行模拟分析，得到流体域及固体域的温度分布及表面热传递系数。
5、b) 采用ramberg-osgood方法拟合高温时材料的塑性应力应变曲线。
6、c) 将a中得到的温度分布场导入fea软件中作为温度载荷，将b中得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入，计算温度影响下的歧管热应力和热应变。
7、d) 找出存在应力集中和塑性变形的区域，同时以热应力和热应变值评估排气歧管的设计合理性。
8、其中，fea软件可选择abaqus。
9、上述提及的cae，全称为computer aided engineering，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
10、上述提及的star ccm+软件、fea软件为本领域技术人员熟知的常用软件，为现有技术中已有的内容，本领域技术人员有能力根据上述描述使用star ccm+软件、fea软件完成上述操作，无需进行额外的发明创造。
11、优选地，具体的步骤为：
12、① 计算排气歧管进出口处的理论边界条件。
13、② 确定发动机环模舱的环境条件。
14、③ 根据排气歧管装配模型划分排气歧管本体，提取内部废气流场，建立外部环境流场的有限元网格。
15、④ 计算排气歧管内流场、外流场的温度及内壁与废气的热传递系数，外壁与环境的对流换热系数，从star-ccm+中导出排气歧管本体的温度场。
16、⑤ 以高温实验下的材料拉伸数据为依据，根据ramberg-osgood公式计算材料的塑性应力-应变曲线。
17、⑥ fea软件中建立排气歧管的强度分析模型，输入基础物理和力学性能参数，⑤中所得塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入；④中温度场作为温度载荷加载到排气歧管强度模型。
18、⑦ 计算排气歧管强度，输出应力、等效应变结果，判断结果是否满足设计要求，必要时不断优化结构。
19、优选地，步骤③具体为：对排气歧管本体进行有限元表面网格划分；将排气歧管本体网格导入star ccm+软件，抽取排气歧管内表面，生成排气废气的流体网格；绘制包络排气歧管的长方体，生成流体网格，模拟环模舱；排气歧管本体设置固体网格；形成排气歧管固体域、内部废气流体域及外部环境空气流体域的网格模型；进行流固耦合设置。
20、优选地，固体域网格尺寸为5mm，类型为四面体二阶网格。
21、优选地，流体域网格为多面体网格，网格尺寸为5mm，近壁面设置3层边界层，厚度为1.5mm，拉伸比为1.5。
22、优选地，为避免进出口回流，根据进出口的特征长度，进气口设置50mm的拉伸层，出气口设置60mm的拉伸层。
23、优选地，步骤④中，流场采用稳态计算，壁面区采用标准壁面函数，湍流模型选用k-epslion模型。
24、优选地，步骤⑥中，强度分析模型包括气缸盖本体和排气歧管本体，模型中建立排气歧管和气缸盖的螺栓连接和接触摩擦；设定气缸盖与缸体的螺栓连接点为固定约束，由于分析对象是排气歧管，所以作为远端的气缸盖的过约束及温度效应对其计算影响不大。
25、优选地，步骤⑦中，输出排气歧管的mises热应力及等效应变结果；然后考察排气歧管的mises热应力，对应力过大区域进行结构优化，对等效应变超出1%区域进行改进，从而使产品满足设计目标要求。
26、ramberg-osgood方法拟合高温时材料的塑性应力应变曲线，得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数输入，计算温度影响下的歧管热应力和热应变，充分考虑了材料在高温环境下的实际表现，能够准确计算出温度影响下的歧管热应力和热应变。与传统方法相比，这一流程更为精细和全面，为提高排气歧管的设计合理性和可靠性提供了坚实的理论基础。
27、在基础物理和力学性能参数的基础上，将拟合得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入，能够使有限元分析结果更加符合实际情况，提高排气歧管的热强度分析结果的准确性和可靠性，对排气歧管的结构合理性的评估，进而保证最终产品的性能和可靠性。
28、步骤⑤中，用ramberg-osgood模型拟合材料的拉伸应力-应变曲线：
29、
30、式中，e是弹性模量；是屈服极限；是对应的残余应变，即0.002；n是材料硬化指数。
31、
32、式中，是抗拉极限对应的残余应变；是抗拉极限。
33、
34、式中，是断裂伸长率。
35、工程应力-应变到真实应力-应变的转化关系如下：
36、
37、abaqus采用塑性模型定义材料的后屈服性能，即真实应力-真实塑性应变。abaqus所需的对数塑性应变的计算公式如下：
38、
39、是真实塑性应变，是总的真实应变，是真实应力。
40、本发明有益效果在于：
41、本发明所述的分析方法，可根据搭配的发动机理论排放修改进排气进出口边界。
42、本发明可根据实际使用环境修改外流场参数计算排气歧管外壁面热边界条件。
43、本发明在几何体改进较小或局部改进时，无需重复流体分析即可利用原状态温度场进行热负荷计算，实现排气歧管结构的优化，提高工作效率节约时间。
44、本发明通过将拟合得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入，能够使有限元分析结果更加符合实际情况，提高排气歧管的热强度分析结果的准确性和可靠性，对排气歧管的结构合理性的评估，进而保证最终产品的性能和可靠性。
45、采用上述方案，本发明能够根据高温实验下的材料数据拟合出材料的塑性应力应变曲线，并作为强度计算模型中材料参数的补充，能够展示材料在超出弹性区域后的应力和应变关系，进而完整模拟材料的塑性响应，提高柴油机排气歧管热负荷的分析效率及准确性，保证最终产品的性能。
技术特征：
1.一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：包括以下步骤：a）应用star ccm+软件对柴油发动机的排气歧管内流场及外流场进行模拟分析，得到流体域及固体域的温度分布及表面热传递系数；b）采用ramberg-osgood方法拟合高温时材料的塑性应力应变曲线；c）将a中得到的温度分布场导入fea软件中作为温度载荷，将b中得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入，计算温度影响下的歧管热应力和热应变；d）找出存在应力集中和塑性变形的区域，同时以热应力和热应变值评估排气歧管的设计合理性。
2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：具体的步骤为：
3.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：步骤④流场采用稳态计算，壁面区采用标准壁面函数，湍流模型选用k-epslion模型。
4.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：步骤⑦中输出排气歧管的mises热应力及等效应变结果；然后考察排气歧管的mises热应力，对应力过大区域进行结构优化，对等效应变超出1%区域进行改进，从而使产品满足设计目标要求。
5.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：步骤③中具体为：对排气歧管本体进行有限元网格划分，将上述网格导入star ccm+软件，抽取排气歧管内表面，生成排气废气的流体网格；绘制包络排气歧管的长方体，生成流体网格，模拟环模舱；排气歧管本体设置固体网格；形成排气歧管固体域、内部废气流体域及外部环境空气流体域的网格模型；进行流固耦合设置。
6.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：步骤⑥中强度分析模型包括气缸盖本体和排气歧管本体，模型中建立排气歧管和气缸盖的螺栓连接和接触摩擦；设定气缸盖与缸体的螺栓连接点为固定约束。
7.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：固体域网格尺寸为5mm，类型为四面体二阶网格。
8.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：流体域网格为多面体网格，网格尺寸为5mm，近壁面设置3层边界层，厚度为1.5mm，拉伸比为1.5。
9.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合的排气歧管热强度的cae分析方法，其特征在于：进气口设置50mm的拉伸层，出气口设置60mm的拉伸层。
技术总结
本发明公开了一种基于流固耦合的排气歧管热强度的CAE分析方法。本发明的方法包括：a)应用Star ccm+软件对柴油发动机的排气歧管内流场及外流场进行模拟分析，得到流体域及固体域的温度分布及表面热传递系数；b)采用Ramberg‑Osgood方法拟合高温时材料的塑性应力应变曲线；c)将a中得到的温度分布场导入FEA软件中作为温度载荷，将b中得到的塑性应力应变曲线作为强度计算模型中材料参数的补充输入，计算温度影响下的歧管热应力和热应变；d)找出存在应力集中和塑性变形的区域，同时以热应力和热应变值评估排气歧管的设计合理性。本发明能够展示材料在超出弹性区域后的应力和应变关系，进而完整模拟材料的塑性响应，提高柴油机排气歧管热负荷的分析效率及准确性。
技术研发人员：李慧梅,杨晓帆,田玉春,李崇娜,闫志明
受保护的技术使用者：山西云内动力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23