1 前言

某发动机配套某农用机械在使用过程中出现排气歧管开裂（见图1），因开裂处为排气歧管出气口处，初步分析可 能为热应力造成排气歧管的开裂，故首先用流-固偶合的方法分析了排气歧管的热应力，即先用BOOST软件进行该发动机的热力学计算，得到该排气岐管进出口 的流量、压力和温度，然后用FIRE软件计算排气岐管瞬态内流场，得到排气岐管内壁面的对流换热系数和温度；再用FIRE软件进行发动机舱的模拟计算，得 到排气岐管外壁面的对流换热系数和温度；在排气岐管内外壁的对流换热系数通过流场计算得到以后，用非线性结构分析软件ABAQUS计算排气岐管的温度场， 然后再计算排气岐管热应力。计算结果最大热应力为68.3MPa,在材料的许用应力范围之内，不足以引起开裂。本文将通过计算该发动机排气歧管的振动特 性，找到该排气歧管开裂的原因。

图1 排气歧管开裂故障图片

2 排气歧管振动特性计算

2.1 有限元模型和边界条件

2.1.1 有限元模型

本报告共计算了四种方案排气歧管的振动特性，如下：

原型方案：有限元模型如图2所示；

改进方案Ⅰ：在原排气歧管的出口处增加加强筋，并将材料改为RuT300,以提高排气歧管的强度，有限元模型如图3；

改进方案Ⅱ：此方案是根据上述两方案的计算结果，重新对排气歧管的流道结构优化设计后的有限元模型，材料为RuT300，如图4所示;

改进方案Ⅲ：在改进方案Ⅱ的基础上，在排气歧管下方增加支架，支撑在机体上的排气歧管有限元模型，如图5所示；  

图2 原型方案有限元模型                     图3 改进方案Ⅰ有限元模型

     
图4  改进方案Ⅱ有限元模型                  图5  改进方案Ⅲ有限元模型

表1为各零件节点数和单元数，单元是10节点四面体单元。有限元网格用Hypermesh软件划分，在Patran里施加边界条件，最后用Abaqus求解。

表1 各零件的节点数和单元数

2.1.2 材料特性

表2是排气歧管振动特性计算各零件所用材料及材料特性、力学性能。

表2 排气歧管的材料特性和力学性能

2.1.3 边界条件

如图6所示，排气歧管和缸盖相连的端面A给定约束，消声器和排气接管之间用BEAM单元连接。

图4 边界条件处理