康明斯系列產(chǎn)品
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服務(wù)商：康明斯動(dòng)力設(shè)備（深圳）有限公司
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維修技術(shù)資料：
本文結(jié)合Abaqus和CFD分析軟件，采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法對(duì)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行了強(qiáng)度分析方法的研究，通過對(duì)危險(xiǎn)應(yīng)力值和位移值等計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，說明有限元模型與CFD模型的準(zhǔn)確性良好，流固耦合分析方法比均布載荷計(jì)算更接近實(shí)際工況。
發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的作用主要是盡可能多地為發(fā)動(dòng)機(jī)提供純凈的空氣，一般包括空氣濾清器和進(jìn)氣管路。發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過程中會(huì)在進(jìn)氣管內(nèi)形成一定的真空度，使發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)附件完成正常的工作，如果清潔端管道連接處漏氣或者進(jìn)氣管破損，導(dǎo)致未經(jīng)過濾的空氣漏入進(jìn)氣管并進(jìn)入氣缸，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響，使其工作性能下降。在設(shè)計(jì)過程中，由于布置空間有限，進(jìn)氣管路連接管的形狀較復(fù)雜，如圖1所示。本文主要針對(duì)某康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路強(qiáng)度的分析方法進(jìn)行研究，分別采用施加均布載荷分析和流固耦合分析方法進(jìn)行強(qiáng)度與剛度計(jì)算，并將結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，為管道的流固耦合分析提供了理論依據(jù)。
一、進(jìn)氣管路模型
1.真空試驗(yàn)?zāi)Ｐ?nbsp;
本文采用實(shí)車1：1比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ蛢H為進(jìn)氣管路中間段連接管。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開孔進(jìn)行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車工作極限工況。
2.幾何模型
本文采用實(shí)車1：1比例仿真模型，如圖1所示。空氣通過空氣濾清器清潔后經(jīng)過藍(lán)色管道部分進(jìn)入管路系統(tǒng)，經(jīng)過中間段黑色連接管部分后達(dá)到管路出口，通過增壓器增壓進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.連接管有限元模型
連接管有限元計(jì)算模型如圖2所示。
4.CFD力學(xué)模型及控制方程
在某轉(zhuǎn)速的正常工況下，管道入口平均流速為13.78m/s，Ma=v/c=0.04，馬赫數(shù)較小，認(rèn)為流體密度為常數(shù)；，弗勞德數(shù)較小，忽略重力的影響；從入口到出口，整個(gè)過程中熱量損失較少，不考慮溫度的影響；由于只關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)在某轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定狀態(tài)的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以流動(dòng)近似穩(wěn)態(tài)流動(dòng)?；谝陨蠗l件，從圖1中可看出進(jìn)氣管路結(jié)構(gòu)形式是不規(guī)則的，氣流在進(jìn)氣系統(tǒng)中以復(fù)雜的湍流形式運(yùn)動(dòng)，對(duì)湍流的處理采用不可壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為半經(jīng)驗(yàn)公式，其中湍流動(dòng)能k方程是精確方程，而湍流耗散率ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)將入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口設(shè)置為壓力出口。CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。
二、進(jìn)氣管路仿真分析
本節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行極限工況下的模型真空試驗(yàn)、施加均布載荷強(qiáng)度計(jì)算和采用流固耦合方法的強(qiáng)度計(jì)算，并對(duì)各分析方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
1.模型真空試驗(yàn)
本文采用實(shí)車1：1比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ蛢H為進(jìn)氣管路中間段連接管。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿忾]管路，僅在出氣口處開孔進(jìn)行抽氣，使管路內(nèi)部形成真空狀態(tài)，模擬整車工作極限工況。
在自由狀態(tài)下對(duì)管路進(jìn)行真空試驗(yàn)，當(dāng)真空壓力達(dá)到-30KPa時(shí)，測(cè)得連接管進(jìn)氣口側(cè)被吸癟約4.6mm。
2.施加均布載荷強(qiáng)度分析
進(jìn)氣管路均布載荷計(jì)算保持與試驗(yàn)相同的加載條件，載荷工況為管道內(nèi)表面施加-30KPa的均布負(fù)壓。
通過計(jì)算可以得到進(jìn)氣管路連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖4所示?？梢钥吹?，管道的變形與試驗(yàn)相同，第一危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在支架處，為13.17MPa，第二危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在管道回彎處，為11.05MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.324mm、4.247mm和3.776mm。
3.流固耦合強(qiáng)度分析
極限工況下的強(qiáng)度分析采用流固耦合分析方法，CFD模型的出口壓力設(shè)置為-30KPa，進(jìn)氣口設(shè)置工作工況中的最大流量，計(jì)算工況按照實(shí)際工作工況進(jìn)行設(shè)置。
流固耦合是將CFD軟件STAR CCM+與有限元軟件Abaqus進(jìn)行連接，各自進(jìn)行單增量步的計(jì)算，在耦合面區(qū)域網(wǎng)格處進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后再各自進(jìn)行下一輪的單增量步的計(jì)算，如此循環(huán)至計(jì)算收斂，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交換，此方法能夠很好地解決流體載荷和結(jié)構(gòu)變形之間相互影響的問題。
計(jì)算前需對(duì)兩個(gè)軟件進(jìn)行耦合設(shè)置，在Abaqus中對(duì)有限元模型設(shè)置材料屬性、邊界條件和分析步等，導(dǎo)出inp文件作為耦合輸入文件，在文件命令流的尾端添加耦合命令行，如圖5所示。
在STAR-CCM+中設(shè)置進(jìn)出口參數(shù)、停止標(biāo)準(zhǔn)和傳遞場(chǎng)函數(shù)，導(dǎo)入的場(chǎng)函數(shù)為節(jié)點(diǎn)位移場(chǎng)，導(dǎo)出至Abaqus的場(chǎng)函數(shù)為壓力場(chǎng)，物理模型選擇Co-simulation中的Abaqus協(xié)同仿真模塊，并設(shè)置耦合輸入文件路徑與Abaqus執(zhí)行文件路徑，如圖6所示。
通過計(jì)算可以得到進(jìn)氣管路內(nèi)表面的壓力分布圖、速度流線圖和連接管的整體變形圖、應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7所示。從速度流線圖可以看到，氣流在彎管處會(huì)形成漩渦，回彎處內(nèi)側(cè)氣流流速大于外側(cè)流速，并且在接近出口處的平直管路呈螺旋狀態(tài)，出口處有局部回流。從壓力分布圖可以看到，中間連接管段在回彎處，由于內(nèi)側(cè)氣流流速比外側(cè)快，所以內(nèi)側(cè)的壓力大于外側(cè)壓力。連接管的變形與試驗(yàn)相同，第一危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在支架處，為13.0NVIPa，第二危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)在管道回彎處，為11.01MPa。從位移云圖可知位移較大處的位移分別為4.310mm，4.232mm，3.771mm。
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