【摘要】：隨著目前油耗法規(guī)限值的逐年降低,三缸增壓汽油機(jī)被更多的小型乘用車采用,但是其強(qiáng)化程度的不斷提升以及固有的不平衡性,導(dǎo)致排氣歧管所受的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷與結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷進(jìn)一步加深。傳統(tǒng)的低周熱疲勞分析已不能很好的滿足工程設(shè)計(jì)的要求,在熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上耦合整機(jī)瞬態(tài)振動(dòng)激勵(lì)并考慮塑性變形的影響進(jìn)行低周疲勞壽命分析,更符合發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)。本文以某三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管為研究對(duì)象,對(duì)整機(jī)振動(dòng)-熱耦合低周疲勞進(jìn)行了系統(tǒng)研究,在考慮塑性變形的基礎(chǔ)上,定量分析了振動(dòng)載荷對(duì)低周疲勞壽命的影響。首先,基于流固耦合的方法獲取排氣歧管怠速與標(biāo)定工況內(nèi)外流場(chǎng)溫度和換熱系數(shù),進(jìn)行兩工況溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。結(jié)果表明,與怠速工況相比,標(biāo)定工況應(yīng)力水平大幅提升,兩工況高應(yīng)力區(qū)主要位于法蘭面與排氣支管結(jié)合處,并且1、3支管主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力,2支管表現(xiàn)為拉應(yīng)力。其次,對(duì)配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)以及缸內(nèi)爆發(fā)壓力作用下的整機(jī)多體動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,排氣系統(tǒng)受到的加速度激勵(lì)載荷大能量段主要位于低頻區(qū)間,對(duì)排氣系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力的影響需要引起重視。另外,基于標(biāo)定工況和常溫下彈塑性應(yīng)力場(chǎng)的約束模態(tài)結(jié)果表明,高溫會(huì)使得排氣系統(tǒng)固有頻率下降,而且從第四階模態(tài)開始,兩者的變形形態(tài)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)�；谒矐B(tài)位移激勵(lì)和標(biāo)定工況熱模態(tài)結(jié)果的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,動(dòng)應(yīng)力受二階模態(tài)影響較大。然后,基于排氣歧管標(biāo)定和怠速工況的彈性應(yīng)力場(chǎng)以及整機(jī)瞬態(tài)振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng),依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)低周疲勞試驗(yàn)規(guī)程,分別建立發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管常規(guī)低周熱疲勞和瞬態(tài)振動(dòng)-熱耦合低周疲勞分析模型,引入Neuber彈塑性修正準(zhǔn)則對(duì)疲勞分析載荷譜進(jìn)行彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變修正,并使用主應(yīng)變法進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。對(duì)比結(jié)果表明,疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要位于高溫拉應(yīng)力區(qū)域,疊加振動(dòng)載荷會(huì)使整體疲勞壽命下降接近25.2%,對(duì)部分區(qū)域下降幅度甚至高達(dá)75%。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā),重點(diǎn)關(guān)注高溫高拉應(yīng)力以及動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域。通過采用最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)懸置剛度進(jìn)行小幅優(yōu)化,能夠減小排氣歧管所受動(dòng)態(tài)激勵(lì),使整體疲勞壽命提升8.69%。最后,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),經(jīng)過500小時(shí)耐久,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好,通過冷熱沖擊疲勞試驗(yàn),排氣歧管未出現(xiàn)損壞,驗(yàn)證了本文瞬態(tài)振動(dòng)-熱耦合疲勞計(jì)算的合理性。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U464.134.4
【圖文】：

圖 1- 1 整體分析流程圖Figure 1- 1 Flowchart of the whole analysis第四章，首先依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)規(guī)程基于怠速工況應(yīng)力場(chǎng)、標(biāo)定工況應(yīng)力場(chǎng)以及振動(dòng)載荷動(dòng)應(yīng)力分別搭建常規(guī)低周熱疲勞和瞬態(tài)振動(dòng)-熱耦合低周疲勞壽命評(píng)估模型。接著引入 Neuber 修正準(zhǔn)則對(duì)兩種情況下的載荷譜進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變修正并基于應(yīng)變疲勞模型進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。然后基于最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)排氣歧管動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后對(duì)排氣歧管進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。第五章，對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)排氣歧管疲勞壽命分析的擴(kuò)展研究方向進(jìn)行了規(guī)劃與展望。

表 2- 1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2- 1 Engine specifications參數(shù) 數(shù)值缸徑（mm） 75活塞行程（mm） 75氣缸數(shù)及布置形式 直列 3 缸壓縮比 9.8排量/L 0.998進(jìn)氣形式 渦輪增壓額定功率（kW） 75(5500r/min)最大扭矩（N·m） 150（1700-4500r/min）動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)在 Boost 軟件中搭建一維熱力學(xué)模型，通過機(jī)整機(jī)多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力曲線、用于排氣算的各排氣支管進(jìn)出口瞬態(tài)溫度、質(zhì)量流量和壓力數(shù)據(jù)。。

第二章 排氣歧管溫度場(chǎng)分析為了驗(yàn)證計(jì)算得到的熱分析邊界的準(zhǔn)確性，需要對(duì)排氣溫度與進(jìn)氣流量進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)在圖 2-2 所示的 AVL 試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如表 2-2所示，設(shè)備精度符合 GB/T18297-2001 的規(guī)定。測(cè)試數(shù)據(jù)為標(biāo)定工況及怠速工況下進(jìn)氣管口總流量和距三個(gè)排氣支管進(jìn)口 30mm 處氣體溫度，兩工況試驗(yàn)仿真結(jié)果分別如表 2-3 和 2-4 所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，標(biāo)定工況下的穩(wěn)態(tài)溫度與流量的實(shí)驗(yàn)值與仿真值結(jié)果誤差都在 4.8%的范圍以內(nèi)，怠速工況的相對(duì)誤差最大值接近 9.2%，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中怠速工況存在一定幅度的波動(dòng)，怠速工況相對(duì)誤差結(jié)果偏大是合理的，可以認(rèn)定利用仿真得到的標(biāo)定工況和怠速工況下的溫度場(chǎng)結(jié)果作為分析邊界，其精度能夠滿足要求。由 Boost 軟件得到的標(biāo)定和怠速工況瞬時(shí)溫度、質(zhì)量流量與壓力分別如圖 2-3 與 2-4 所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 朱廉潔;劉曉偉;孫躍輝;張步超;王偉東;羅淼;;三缸發(fā)動(dòng)機(jī)整車怠速振動(dòng)性能研究[J];噪聲與振動(dòng)控制;2015年06期

2 華從波;賀子龍;韓震;劉閃閃;;淺談乘用車油耗法規(guī)及應(yīng)對(duì)策略[J];農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程;2015年10期

3 劉浩;李曉東;楊文岐;孫俠生;;考慮氣動(dòng)加熱的翼面結(jié)構(gòu)熱模態(tài)試驗(yàn)方法研究[J];振動(dòng)與沖擊;2015年13期

4 駱旭薇;石勇;李斌;騰和;廖善權(quán);袁曉軍;;應(yīng)用FEA-CFD耦合方法對(duì)某增壓柴油機(jī)排氣歧管的開裂失效分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)[J];內(nèi)燃機(jī)工程;2015年06期

5 賀爾銘;劉峰;胡亞琪;趙志彬;;熱聲載荷下薄壁結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)響應(yīng)分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)[J];振動(dòng)與沖擊;2013年24期

6 石勇;李斌;廖善權(quán);袁曉軍;;發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管流固耦合仿真[J];計(jì)算機(jī)輔助工程;2013年S2期

7 慧文;;小型化3缸發(fā)動(dòng)機(jī)已上路[J];汽車與配件;2013年35期

8 曹元福;楊振宇;柯妍;趙飛;張衛(wèi)正;楊懷剛;;排氣歧管熱負(fù)荷仿真與試驗(yàn)研究[J];汽車工程;2012年05期

9 楊懷剛;劉暢;張衛(wèi)正;胡鐵剛;詹樟松;;排氣歧管流固耦合仿真與試驗(yàn)[J];計(jì)算機(jī)輔助工程;2012年02期

10 鄧幫林;劉敬平;楊靖;馮仁華;付建勤;;基于雙向流固耦合的汽油機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2011年06期

本文編號(hào)：2743225