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发动机排气歧管热疲劳应力分析
魏丕勇、于鲸跃
（北汽福田汽车股份有限公司，北京102206）
摘要：应用流固耦合的方法对发动机排气歧管进行了热应力及疲劳分析，根据计算分析结果提
出改进方案。
关键词：排气歧管；流固耦合；热疲劳；Abaqus软件
1前言
排气歧管在发动机运转过程中常常受到从常温到高温的冷热交变热载荷，因此其工作环境极
其恶劣。在运转过程中，若设计不当，在急冷急热交变载荷的冲击下会引起热疲劳裂纹及开裂漏
气等失效故障，直接影响到发动机整机工作可靠性和寿命。因此，对发动机排气歧管进行温度场
和热疲劳应力计算分析，对保证发动机及其排气歧管的可靠耐久性尤为重要，本文应用流固耦合
的方法对某发动机排气歧管进行了虚拟验证，为结构设计提供了重要的指导建议。
2.计算方法
采用流固耦合的方法对发动机排气歧管进行热应力及疲劳分析。即：首先应用BOOST和
FIRE等专业软件计算排气管歧管在三种发动机典型工况（全速全负荷、全速倒拖、怠速）下的
排气管瞬态内流场，得到排气管内壁面的对流换热系数和温度的热边界，通过映射将热边界施加
到结构分析模型上；然后，应用ABaqus软件对排气管歧管在安装状态下进行冷热交变循环热疲
劳应力分析。
3分析模型、边界条件和计算工况
3.1排气管模型
如图1所示，排气歧管的三维数模，排气管的有限元模型如图2所示，采用六面体单元，
C3D8，单元数：99356，节点数138837。排气歧管材料为不锈管SUS441。
图1.排气歧管的几何模型图2.排气歧管的有限元模型
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3.2边界条件
如图3所示，排气管内壁热交换条件来
HTC=15W/m2k,To=75℃
自CFD软件计算结果；排气管外表面中排
绝热
气管与缸盖接触面、排气管与尾管法兰接触
面的热边界简化处理为绝热；其余与大气接
触的外表面:HTC:15W/m2K,环境温度：
绝热
T0=75℃。忽略排气压力的作用，
图3..排气管热边界
如图4所示，位移约束边界，排气管与缸盖接触面Y向位移为0；并选择排气管两个安装固
定孔圆柱面X、Ｚ向位移为０．
图4.排气歧管的位移约束边界
3.3计算工况
如图5所示，计算工况模拟排气管的冷热冲击试验。
整个分析循环包括全速全负荷、全速倒拖、怠速三个工
况。发动机从怠速急拉到全速全负荷，稳定一段时间，
再从全速全负荷急转入全速倒拖，然后转入怠速工况，
稳定一段时间，循环反复，共进行三个循环的计算，以
得到稳定的热蠕变。
图5.瞬态分析工况
4计算结果及分析
4.1温度场
如图6所示，排气歧管的温度场。发动机从怠速急拉到全速全负荷，在全速全负荷时排气
管温度达到最高，最高稳定温度为839.7℃；再从全速全负荷急转入全速倒拖，然后转入怠速工
况，在怠速工况，排气最低稳定温度为325℃。可见排气歧管在这样工况下，温度发生剧烈变化。
图6.排气歧管的温度场
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4.2应力场
如图7、8所示，排气歧管的应力场。由
于剧烈的温度变化，产生剧烈应变，由此造成
排气歧管的热应力。最大应力发生在有全速全
负荷到全速倒拖的变化过程中，最大应力约为
371Mpa，严重超过了对应温度下材料的屈服
强度极限，导致排气歧管产生蠕变。
图7.排气歧管的应力场
图8.排气歧管局部放大应力场
4.3热屈服应变（蠕变）PEEQ及△PEEQ
如图9所示，排气歧管热蠕变PEEQ场。排气歧管多处的PEEQ值远远超过设计限值，蠕
变严重的发生在废气再循环管与第4歧管，第4歧管与排气总管的结合部，最大蠕变PEEQ值为
0.082，因此，排气歧管会出现严重热开裂。
图9.排气歧管的蠕变PEEQ场
如图10所示，排气歧管的热屈服应变差△PEEQ值，在废气再循环管与第4歧管，第4歧
管与排气总管的结合部，第2次与第3次循环之间的△PEEQ值为2.2%，严重超过设计上限，
从而导致排气歧管产生严重开裂。
图10.排气歧管的△PEEQ场
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如图11所示，排气歧管试验过程中开裂失效的实
物照片。原排气歧管经过10小时磨合运转，停车后冷
却再启动发现排气歧管出现开裂现象。可以看出，模
拟分析计算结果与试验开裂部位是一致的，证明仿真
分析准确和有效性。
图11排气歧管失效件照片5结论
（1）基于Abaqus软件，应用流固耦合的方法对发动机排气歧管进行了热应力及疲劳分析，
该分析模拟了排气歧管冷热冲击试验过程。
（2）该四缸发动机不锈钢排气歧管在冷热排气剧烈作用下，最大应力和应变发生全速全负
荷到全速倒拖工况转换过程中，即，剧烈的温度变化是产生过大应力及应变的原因，应力超过屈
服极限将导致热蠕变。
（3）在废气再循环管与第4歧管