simsolid—某型排气歧管温度场仿真分析

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某型排气歧管温度场仿真分析

1、分析目的

排气歧管通常由铸铁或双壁面焊接金属制造而成。采用铸造工艺的排气歧管目前已广泛应用于汽油机或柴油机。排气歧管应当有足够的刚度以满足在发动机开发过程中所需的主要设计目标，比如动力性能，燃油经济性和排放。为了实现催化剂快速和高效启动反应，废气温度应该进一步提升以确保催化剂更高的转化效率，而排气歧管也将承受更高的热负荷。因此针对某排气歧管应用simsolid软件对其执行了温度场仿真分析。

2、模型说明

选择铁素体球墨铸铁作为排气歧管和增压器涡壳材料，其材料属性高度依赖于环境温度。弹性模量和导热系数随温度的变化见图1和图2。排气歧管几何模型如图3所示。

                                图1 材料变温下的弹性模量                 图2 材料变温下的导热系数

                                                                  图3 排气歧管几何模型

3、温度场分析

排气歧管温度场分布是进行结构分析最为重要的边界条件。3D CFD计算结果传递局部换热系数和近壁面气体温度，然后在一个工作循环周期内进行平均处理，即得到时间平均的换热系数和近壁面气体温度。除了排气歧管内壁面的对流换热外，排气歧管外壁面的对流换热和热辐射对传热分析也至关重要。时间平均的换热系数和近壁面气体温度一般会随发动机实际工况而产生变化。在Simsolid软件中定义排气歧管内外壁面的换热系数和温度，定义过程非常简易，如图4和图5所示。

                                                          图4 排气歧管外表面边界条件

                                                            图5 排气歧管内表面边界条件

4、温度场分布结果

排气歧管装配整体温度场分布情况如图6所示，从图6中可以发现当转速为3000rpm时排气歧管最高温度约为593℃，大致位于排气歧管总出口位置，即涡轮机入口位置。根据相关设计标准，最高温度低于材料发生微观机构变形所允许的最高温度（800℃），即排气歧管不会发生微观过度变形。排气歧管温度场将通过耦合接口传递到结构分析模块并作为其热边界条件。

                                                           图6 排气歧管温度场分布

 

                                                                   图7 排气歧管剖切图

5、总结

（1）基于Simsolid软件，对排气歧管温度分布计算的分析流程可对进行较为精确的预测，极大地简化了分析过程，但针对复杂问题的分析仍有待进一步验证。

（2）Simsolid软件消除了传统 FEA 中最耗时几何结构简化和网格划分的过程，完全不同与传统的FEA分析。