增压直喷汽油机因其功率较大，排气温度较高，排气歧管热负荷大，容易在一些几何过渡不圆滑的地方出现热应力集中。本文在发动机中速负荷下，以BOOST和FIRE一维三维耦合分析计算排气歧管内外流场温度及换热系数分布，将流场壁面温度、换热系数映射到排气歧管实体网格上作为边界条件，利用Abaqus计算排气歧管的温度场分布和热应力分布。以排气歧管材料屈服极限为标准，判断排气歧管是否会发生热疲劳裂纹；以计算结果为参照，对排气歧管高应力区域进行结构优化，消除热应力集中。
图1 排气歧管内外流场计算模型
原始设计方案
2.1 网格划分及边界条件
排气歧管采用二阶四面体网格（C3D10）划分，整个有限元模型包括102265个实体网格，如图2所示。用于映射流体分析边界温度和换热系数的内流场网格（DS6）15604个，外流场网格（DS6）25548个。排气歧管内流场采用一维三维耦合的计算方法，图3、4显示了映射的边界温度场及换热系数。排气歧管所用材料为铸铁NiSiCr3552，其物理特性和力学性能与温度的关系如图5所示。
图 2 有限元计算模型
图 3 内流场温度云图（K）
图 4 内流场换热系数云图（W/m2.K）
图 5 铸铁 NiSiCr3552 物理特性和力学性能与温度关系
原始方案计算结果
排气歧管温度场、热应力计算结果如图 6 所示。
图 6 排气歧管原始方案温度场及热应力分布
由图 6 可知，在排气歧管 1、4 支管与 2、3 支管汇合隔板与管壁倒角处存在热应力集中，最高应力 372MPa已经超过材料屈服极限。
改进方案
针对排气歧管原设计方案 1、4 支管与 2、3 支管汇合处隔板与管壁间的几何进行修改，使其过渡尽可能圆滑，以降低该区域应力水平。为此，总共进行了 8 次修改，最终将热应力降至材料屈服极限以下。图 7 至图 14 给出了各修改方案热应力分布云图，表 1 列出了各修改方案的最大热应力值。
图 7 第 1 修改方案热应力分布
图 8 第 2 修改方案热应力分布
图 9 第 3 修改方案热应力分布
图 10 第 4 修改方案热应力分布
图 11 第 5 修改方案热应力分布
图 12 第 6 修改方案热应力分布
图 13 第 7 修改方案热应力分布
图 14 第 8 修改方案热应力分布
表 1. 排气歧管各设计方案最高热应力.
结论
排气歧管因几何结构不当，存在热应力集中和热疲劳裂纹的危险。通过一维三维流体耦合分析计算排气歧管内外流场温度、换热系数，利用 Abaqus 计算排气歧管温度场分布和热应力分布。原始设计方案最高热应力 372MPa，超过材料屈服极限，最高应力发生在 1、4 支管与 2、3 支管汇合处隔板与管壁过渡圆角。对排气歧管原始设计方案进行结构优化，最终将热应力降低至排气歧管材料屈服极限以下，通过试验验证优化后排气歧管没有出现热疲劳裂纹问题。
资料来源：达索官方
