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基于Abaqus的发动机排气歧管热应力分析

李相旺黄凤琴张志明王伟民蔡志强尹曼莉

东风汽车公司技术中心

摘要:某发动机开发过程中，须对排气歧管进行强度校核。首先使用STRA-CCM+计算了排气歧

管的稳态内流场，得到了排气歧管内部气体温度和对流换热系数，然后将其映射到排气歧管内表

面有限元网格上，排气歧管外壁面环境温度和对流换热系数由实测结果和经验值确定。通过

Abaqus/Standard算出排气歧管温度场，再使用顺序耦合热应力分析方法得到排气歧管热应力分

布。计算结果表明，排气歧管绝大部分区域热应力小于280MPa，满足东风公司评价标准。螺栓

轴向力符合要求。该排气歧管已通过试验验证，没有出现强度及疲劳失效问题，说明该分析工作

是准确可靠的。

关键词：发动机，排气歧管，温度场，热应力

1引言

排气歧管负责及时地把发动机缸体内的高温废气排放出去，它长期承受高温气体的冲击，

工作环境恶劣，容易发生强度破坏和热机疲劳破坏，进而影响发动机正常运转。为了在设计过程

验证其可靠性，需要对排气歧管的温度和热应力场进行分析，校核其强度，从而可以大大节省后

期的试验成本，缩短设计周期。

本文首先计算出某发动机排气歧管温度场，接着基于顺序耦合热应力分析方法得到排气歧

管热应力分布，找出排气歧管热应力较大处，从而为后续改进设计提供依据。

2计算模型

2.1温度场计算模型

温度场计算模型包括排气歧管、简化缸盖、螺栓，如图1。其中排气歧管采用四面体传热单

元（DC3D4），简化缸盖和螺栓采用六面体传热单元（DC3D8），整个模型一共209375个节点，

561727个单元。排气歧管材料采用高镍铸铁，缸盖材料是铝合金，螺栓材料是钢，其中高镍铸

铁考虑材料热物理属性随温度的变化，其本构模型为线弹性。温度场计算采用稳态传热分析步

（HeatTransfer,Steadystate）。

排气歧管

螺栓

简化缸盖

图1.排气歧管温度场计算模型

在计算排气歧管温度场时采用第一类和第三类热边界条件，即简化缸盖底部给定温度，而

排气歧管内外表面给定环境温度和热交换系数。其中内部气体温度和热交换系数由STAR-CCM+

计算出然后映射到有限元网格上，外壁面环境温度和热交换系数则由实测值和经验确定。考虑排

气歧管法兰面与缸盖接触面、螺栓与排气歧管以及螺栓与缸盖间的热传导，模型其余表面视为绝

热边界条件。

2.2热应力计算模型

热应力计算模型与温度场模型基本相同，如图2。与温度场计算模型不同的是，排气歧管

采用四面体单元（C3D4），简化缸盖和螺栓采用六面体单元（C3D8I）。计算分析步为静态应力

分析（Static）。

接地弹簧

螺栓预紧力

约束X向位移

图2.排气歧管热应力计算模型

施加位移约束时既要考虑限制模型的刚体位移，又不能限制模型由于温度升高导致的膨胀

变形。约束简化缸盖底面X方向位移，并在缸盖四角添加Y、Z两个方向的接地弹簧，约束缸

盖Y、Z两个方向的刚体位移；在排气歧管出口法兰面添加X、Y、Z三个方向的接地弹簧，约

束排气歧管出口法兰面三个方向的刚体位移。

由于采用顺序耦合热应力分析方法，故将排气歧管温度场结果作为载荷导入热应力模型。

为了真实模拟实际工况，螺栓施加预紧力。

3计算结果及分析

3.1温度场

排气歧管温度场结果如图3所示。从图3可看出，排气歧管温度最高处为接近出口歧管汇

合处，最高温度为833℃，这是由于歧管汇合处连续受到来自四个歧管的高温废气加热，所以

温度最高。排气歧管温度最低处为与缸盖连接法兰处，最低温度为303℃，这是由于缸盖温度

相对较低，法兰处热量有一部分传递到缸盖处，所以此处温度较低。

图3.排气歧管温度场分布

3.2应力场

3.2.1排气歧管热应力场

排气歧管热应力场结果如图4所示。从图4可看出，排气歧管绝大部分区域热应力小于280

MPa，满足东风公司评价标准。部分歧管连接圆角处最大主应力超过280MPa（灰色区域），这

是由于排气歧管受热膨胀，连接处倒角较小造成的热应力集中，条件允许情况下可适当增大热

应力集中处圆角半径使过渡更圆滑。目前，该排气歧管已通过300h全速全负荷试验，试验

中没有出现强度以及疲劳失效问题。

图4.排气歧管热应力场分布

3.2.2螺栓轴向力

排气歧管螺栓轴向力如图5所示。螺栓轴向力最大为25264N，小于M10螺栓的许用轴向

力，符合要求。

图5.排气歧管螺栓轴向力

4结论

1)排气歧管温度最高处为接近出口歧管汇合处，最高温度为833℃；排气歧管温度最低处

为与缸盖连接法兰处，最低温度为303℃。

2）排气歧管绝大部分区域热应力小于280MPa，满足东风公司