第３２卷第１期 ２０１５年２月 内燃机与动力装置Ｉ．ｃ．Ｅ＆Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ Ｖｏ１．３２ Ｎ０．１ Ｆｅｂ．２０１５ 【模拟计算】 排气歧管螺栓预紧力衰减研究 叶志伟，路明 ２３０６０１） （安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥摘要：由于排气歧管螺栓受到高低温的循环载荷，螺栓预紧力发生衰减，导致在排气歧管 与法兰之间发生漏气的现象 而排气歧管螺栓在高温下的预紧力衰减情况用经典公式很难计 算，本文使用有限元的方法，基于非线性弹塑性材料参数，计算在全速全负荷、倒拖以及怠速工 况循环作用下的排气歧管螺栓的衰减情况，结果表明此方法可以有效的预测螺栓预紧力的衰 减，判断排气歧管法兰是否存在漏气现象。 关键词：螺栓预紧力衰减；有限元方法；排气歧管 中图分类号：ＴＫ４０２文献标志码：Ａ文章编号：１６７３—６３９７（２０ｌ５）Ｏ１—００４６—０３ Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｂｏｌｔ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｅｘｈａｕｓｔ ＭａｎｉｆｏＩｄ ＹＥ Ｚｈｉ—ｗｅｉ．１Ａ）Ｍｉｎｇ （Ａｎｈｕｉ Ｊｉａｎｇｈｕａｉ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｅｆｅｉ ２３０６０１，Ｃｈｉｌｌａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｍａｎｉｌｂｌｄ ｂｏｌｔｓ ｅｏｎｔｉｎｕｅ ｓｕｆｆｅｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｏａｄ，ｂｏｈ ｐｒｅ—ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒｅｄｕｃｅｓ ｃａｎｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｉＩ‘ｌｅａｋａｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｍａｎｉｆｏｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｅｓ．Ｉｔ ｉｓ ｄｉｉｃｕｌｔｆ ｔｏ ｅａ］ｅｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｆｏｒｃｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｉｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌａｓ— ｓｉｃ ｆｉ）ｒｍｕｌａ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｅｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｆｏｒｃｅ ｔｅｌｅａｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ，ｆｕｌ１ ｌｏａｄ，ｎＩｏｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｌｏｗ ｉｄｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄｓ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅ— ｌ’ｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｆｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｅｔｉｖｅｌｙ ｐｌ。ｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｐｒｅ—ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｏｒｔｅ ｒｅｌｅａｓｅ，ａｌｌ（Ｉ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｉ）ｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｍｕｓｔ ｍａｎｉｆｏｈｌ ａｌｌｄ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｅｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｂｏｌｔ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｌｅａｓｅ；Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ；Ｅｘｈａｕｓｔ Ｍａｎｉｆｏｈｔ 引 言 排气歧管通过排气歧管螺栓与缸盖法兰面相连 接，由于排气温度较高，且受到高低温循环工况的影 响，不同材料之问的线性膨胀系数不同，导致不同部 件之问的变形也不同，螺杆的变形会导致预紧力的 衰减，不同的变形镀也会导致法兰与缸体之问发生 算。 本文通过有限元的方法，对排气系统进行精确 建模，分析全速、倒拖以及怠速三种工况下的结构温 度分布，同时考虑螺栓、排气歧管以及蜗壳的温度相 关的非线性弹塑性材料属性，对螺栓预紧力的衰减， 判断排气歧管是否会发生漏气现象。 漏气，经典公式方法对螺栓校核存在几点不足，首 先，Ｉｌｌ｛于排气温度随不同工况进行变化，螺栓的温度 也同样变化，无法确定螺栓的确切温度。第二，经典 公式的方法无法考虑螺栓材料的非线性特性。这样 就导致很难对螺栓预紧力的衰减情况做精确的汁 ｌ有限元模型 分析使用目前应用非常广泛的非线性有限元软 件ＡＢＡＱＵＳ，排气歧管总成有限元模型包括排气歧 管、缸盖的一部分、排气座圈、排气歧管螺栓、排气歧 管垫片、蜗壳、增压器螺栓及垫片，如图１所示 建 作者简介：叶志伟（１９８６一），男，｝ｉＴ＿ｌＬ邯郸人，本科，助理工程师，主要研究方向为发动机排气系统没计及分析。 收稿日期：２０１４—０７—１４ 叶志伟，等： 排气歧管螺栓预紧力衰减研究 模Ｉ｝Ｉ整体模 使用二阶１０一ｔ『／］－－点四面体单元 （Ｃ３Ｄ１０Ｍ）， 片网格使用１２节点三维垫片单元 （ＧＫ３Ｄ１２Ｍ） ．材料数据包括温度相关的弹性模量 ３有限元分析 ３．１ 温度载荷循环定义 （Ｅ），泊松比（ｕ），导热系数（Ａ），线膨胀系数（ ）， 温度载荷循环包括三个气体侧的热冲击（一个 加热阶段和两个冷却阶段） 每个阶段都包括变化 和保持过程，变化过程设定为Ｉ５ Ｓ（转述变化）和１０ｓ 密度（Ｐ）以及比热（ ）、后两个变量（Ｐ～Ｃ）在热传 递分析时定义材料的热惰性 衷１为室温下的材料 数据。气门座圈、缸盖螺巾｝ｉ使ＪＨ温度相关的线弹性 （载荷变化），冷卸液循环转换没定为２０ｓ，具体热披 荷工况如图２所示 、 数据，螺栓和排气歧管、蜗壳使『ｆＪ温度相关的非线性 弹塑性材料数据。 １ 一 逛 董喜； ＾ 蜱 ｌ 时间（ｌｓ） ｝ ｊ ｌ—名臻 一 图ｌ 元分析卡５ｌ 一籀 ２热机械载简Ｉ 况循环 表ｌ 室温下材料数据 部件 排气歧管 缸盖 个循环１ 包括如下 个阶段： （一）加热阶段 『ＭＰａ］ ｌ２４７４６ ７２６ｏ０ ［一１ Ｏ．２９ Ｏ．３３ Ａ『Ｗ／ｉｎＫ ｌ２．７５ １７０ １／Ｋ ０．９３Ｅ一５ ２．１４Ｅ一５ ａ）逐渐从怠速（每分钟７００转）到全速全负倚 （每分钟４８５０转），持续Ｈ，￣ＩＮ １５ｓ。 ｈ）保持全速工况，持续１４０ｓ一 （二）第一阶段冷却 ａ）逐渐从全速变换为倒拖一 况（ 分钟４８５０ 排气歧管螺栓 ２Ｉ】０００ 排气歧管螺帽 ２１ｌ０ｏ０ 增压器螺检 增压器螺帽 蜗壳 ０．３ Ｏ．３ Ｏ．３ ０．３ ０．２９ ３４．６ ３４．６ １２．６ １２．６ ｌ２．７５ ｌＥ一５ ｌＥ一５ １．６９Ｅ一５ １．６９Ｅ一５ ０．９３Ｅ一５ ２ｌ】Ｏ【ｘＪ ２ｌｌｏｏ０ １２４７４６ 排气座圈 ｌ８５ｏｏＯ Ｏ．３ ４５ １．３Ｅ一５ 转），持续时间１０ｓ。 Ｉ】）保持倒拖 １：况，持续１２０ｓ （：）第二阶段冷却 ２螺栓预紧力计算 他¨ｍ∞舳 ∞如∞如加 ０ Ｏ Ｏ Ｏ—ｐ一 赠铎面 排气歧管螺栓以及增压器螺栓都为关键螺栓， ａ）逐渐从倒拖工况变换为怠速 况，持续时Ｉ＇ＨＪ １５ｓ。 若在ｌＴ作中发生松动会导致漏气，影响发动机的性 能，严重时会使发动机产生破坏。因此，在预紧时要 充分发挥螺栓材料的性能，一般在打紧关键螺栓时 都采用扭矩加转角法，使螺栓 Ｌ作在屈服状态。此 状态下最小螺栓预紧力的ｉｆ‘算方法为： Ａ‘ （）： ． ｂ）保持怠速 况，持续ｌ３５ｓ。 为了得到稳定的温度场结果，我们一般要进行 上述循环三次，每一个循环定义为一个热机械循环 ３．２非线性应力应变分析 在三个热机械循环中，＿｛乍线性应力应变分析的 －－ ——亍—兰—一、／ 为螺栓材 ／１＋３［２ （ ＋１．１５ ）］ （／￣ｍｉｒ ｌ ７ “ｔ， 边界条件定义为装配载荷和连续温度场以及相 的 气体压力载荷。初始分析步的载荷就是山排气歧管 螺栓与蜗壳螺栓在室温下的打紧力组成的装配载 式中，Ａ为螺栓的最小截面有效面积， 料的屈服强度，ｄ．，为螺纹中径，ｄ 为螺纹底径，Ｐ为 螺距， 为螺纹副摩擦系数。根据公式计算出排气 歧管螺栓的最小预紧力为１５．６６ｋＮ，蜗壳螺栓最小 预紧力为１４．２６ｋＮ。 荷。接着进行准静态计算．温度场从各个瞬态传热 分析中获取，同时根据运行 Ｌ况，施加恒定的燃气压 力。热疲劳分析循环重复３次，以获得稳定的粘性 非弹性影响。各分析步载荷加载情况如表２所示、 内燃机卜ｊ动力装置 表２载荷步加载情况 分析步 旗础载荷 装配载荷 温度载荷（全速） 温度载荷（倒拖） 温度载荷（怠速） 气体载荷（全速） ＋ ＋ ＋ 装配工况 第一个循环 第二个循环 第三个循环 Ｏ ｌ ２ ３ ｄ ５ ６ ７ ８ ９ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 以认为第２次循环后螺栓力的变化已经趋于稳定。 ３００ ２５０ ２００ 气体载荷（倒拖） 气体载荷（怠速） ＋ ＋ ￣１５０ ．１０Ｏ ５０ ４ 分析结果 Ｏ ４为排气歧管螺栓预紧力关于时问的变化曲 ４３５ 时间（８７０ ｓ） ． 线，其中Ｂｌ～Ｂ８分别代表８个螺栓。在第一个循 环后，排气歧管螺栓６、７的预紧力下降最大，分别为 ６．９ｋＮ（～４４％）、６．７ｋＮ（～４３％），第ｔ个循环后， 排气歧管螺栓６的预紧力下降最大，为５．６ｋＮ，此处 排气歧管螺栓的温度变化 ～ 砒∞Ｍ 酗盯肿一击口ｏ▲ｔ◆ｔ◆～ 的平均螺栓力值最小（１ １．５ｋＮ）。由于没有进一步 的预紧力衰减，螺栓预紧力在第一个循环后便达到 稳定。图５显示的是排气歧管螺栓的温度变化，２、３ 螺栓的温度最高，已经达到２５２ｏＣ，５号螺栓的温 度最低，为１８１ 图 ５ 图 ７ Ｏ Ｏ 图６蜗壳螺栓编号 ｌ ８０００ ｌ６０００ １４０００ —Ｚ 图３排气歧僻螺栓编ｌ几 ｌ １ ￣１２０００ ．群 １００００ ８０００ １ ６０００ １ ４３５ 时间（ｓ）８７０ 盘ｉ 馨１ 蜗壳螺栓预紧力变化曲线 Ｏ ４３５时 ８７Ｏ ｌ３Ｏ５ ４排气歧管螺栓颅紧力变化曲线 ７为蜗壳螺栓预紧力关于时问变化曲线，图 ８为螺栓的温度变化。可以看出，在第１次加热期 间，螺栓预紧力的－Ｆ降很大。隔热罩覆盖下的１号 螺栓温度最高，其峰值达到７０９ ，且其螺栓力最 小。在第１次循环后，１号螺栓预紧力下降约 ７．０６ｋＮ，由于第３次循环后螺栓力的下降大小 （６．７ｋＮ）几乎与第２次循环（６．６ｋＮ）一样，因此，可 罔８蜗壳螺栓温度变化 （下转第５３页） ２０１５年第１期 陈永哲，等： 发动机排气歧管总成热应力及疲劳计算 ・５３・ （３）排气歧管应力较大的部位出现在了入口处 和与支架相接触的部位。入口法兰应力较大的部位 主要出现在受约束的部位。这几个部位也是安全系 数较小的部位。 参考文献： ［１］陈东兴．车用发动机排气歧管总成的疲劳可靠性优化研 ［２］高娟利．发动机排气歧管的疲劳性能研究［Ｄ］．西安：西 安理工大学，２００９． ［３］董非，蔡忆惜，等．内燃机排气歧管瞬态热流体一热应力 耦合仿真的研究［Ｊ］．汽车工程，２０１０，３２（１０）． ［４］赵晓晓，胡玉平，李国祥．增压器压气机流固耦合强度分 析［Ｃ］．华东四省一市内燃机学会第十四届联合学术年 会论文集，２０１１：３７—３９． 究［Ｄ］．广东：广东工业大学，２０１３． （上接第４５页） 于冷却系统一维模型计算得到发动机水套分析所需 边界条件，以边界条件作为数据输入，对水套进行三 维ＣＦＤ分析，对分析结果进行判断并制定水套优化 方案，最后对优化结构再次分析。根据结果对比可 以判断水套结构优化之后，水套缸盖流动更加均匀， 关键位置的换热系数有所改善，提高了发动机的散 热性能。 参考文献： ［１］姚炜．ＣＦＤ模拟在发动机水套设计中的应用［Ｊ］．合肥工 业大学学报，２００９，（３２）８６—８８． ［２］冯贝贝，张少华，等．增压直喷汽油发动机冷却系统优化 的研究［Ｊ］．内燃机，２０１３，（２）２１—２５． ［３］赵永娟，马超，等．径流式涡轮性能研究的进展［Ｊ］．内燃 机与动力装置，２００９，（２）８—１３． ［４］于秀敏，陈海波，等．发动机冷却系统中流动与传热问题 数值模拟进展［Ｊ］．机械工程学报，２００８，（１０）１６２—１６７． ［５］朱家鲲．计算流体力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８５． ［６］钱德猛，钱多德．乙醇一汽油燃料车用发动机设计开发 ［Ｊ］．小型内燃机与摩托车，２０１３，（４）４３—４６． ［７］张应兵，陈怀望，许涛．ＣＦＤ技术在发动机冷却水套优化 设计中的应用［Ｊ］．汽车工程师，２０１２（４）：５６—５８． （上接第４８页） ５ 结论 为７５０℃。 参考文献： ［１］邓帮林，刘敬平等．基于双向流固耦合的汽油机排气歧 管热应力分析［Ｊ］．内燃机学报，２０１１，２９（６）：５４９—５５４． ［２］朱晴，袁兆成等．基于流固耦合的某增压汽油机排气歧 管热分析［Ｊ］．汽车工程，２０１３，３５（１２）：１１３４—１１３８． （１）利用有限元的方法可以有效的预测螺栓在 温度影响下的预紧力的衰减情况。 （２）在第一个ＴＭＦ循环期间，排气歧管螺栓６ 的预紧力衰减最大，达到４４％，螺栓７的预紧力衰 减为４３％。螺栓２、３的温度最高，为２５２￣Ｃ，低于其 材料的温度限值５４０￣Ｃ。因此，螺栓预紧力的衰减 量是可接受的。 ［３］陈成军，杨国庆等．基于有限元法的螺栓组连接弹性相 互作用研究［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１１，３３（１０）：１３１ —１３５． （３）蜗壳螺栓在第１个热机械循环过程中，螺 栓１的预紧力衰减最大，达到５０％。后续热循环过 程中，螺栓力趋于稳定。螺栓１处于隔热罩下面，其 温度最高，为７０９％。增压器螺栓材料的温度限值 ［４］Ｇｅｍｉｎｎ Ｍ．排气歧管螺栓紧固力的测定［Ｊ］．国外内燃 机，２０１３，（５）：６０—６２．
