文档名称：

基于Abaqus的某柴油机排气歧管热固耦合分析.doc

文档介绍：基于Abaqus的某柴油机排气歧管热固耦合分析

樊明等 摘要: 排气歧管在工作状态下会承受很高的环境温度,而在较高的环境温度下金属材料的力学性能和热学性能通常会发生较大变化.通过添加实测的各种部件材料随温度变化的性能参数,介绍某用迎风离散格式,1阶隐式格式离散时间项,压力与速度耦合算法选择SIMPLE.设定管内空气流动为可压缩黏性湍流流动,空气为理想气体,湍流模型为kzf方程,使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度和压力等的分布,且要求贴近壁面的网格的y+值范围为11~200[2],残差小于0.000 1.
外流场的计算为稳态计算,为保证计算收敛,一般计算3 000个迭代步.具体边界条件如下
(1)进口边界条件.设为速度边界,速度大小为8 m/s.
(2)出口边界条件.设为梯度为0.
排气歧管外壁面的换热系数和温度分别见图6和7,平均温度为476.6 K,平均换热系数为76.5 W/(m2·K).
图 6排气歧管外壁面换热系数分布
图 7排气歧管外壁面气体温度分布
1.3.3CFD瞬态计算结果的时域平均
瞬态计算(时间步或曲轴转角)在每个时刻都会有一个计算结果,而有限元模型计算只需要一个稳态的热边界结果,因此瞬态计算的结果不能直接应用于有限元模型计算,必须首先对其进行时域平均[3]. 平均换热系数(x)=1φ2-φ1 ∫φ2φ1h(x)dφ(1)平均有效温度G(x)=1(φ2-φ1)(x)∫φ2φ1h(x)TG(x)dφ(2)式中:φ为对应的瞬态时刻(时间步或曲轴转角);h为对流换热系数;T为温度.
1.3.4CFD结果与Abaqus有限元模型映射
映射指在CFD计算与有限元计算之间,在流固交界面上进行热数据交换.它实现Fire与Abaqus之间的流固耦合分析.
热边界来源于CFD模拟结果,获取方法是将排气歧管网格模型的面网格导出inp格式(包含部件节点和单元信息即可)的文件提供给CFD分析人员,由CFD分析人员提取出部件面单元的换热系数和温度文件,文件后缀名为abaqinp.其中值得注意的是:(1)提取的换热系数和温度信息应附在单元上;(2)所有涉及到数值的信息要标明单位,以免产生数量级上的错误.
2类文件的示例分别见图8和9.
图 8面网格单元inp文件示例
图 9CFD提供的热边界文件示例
1.4温度场分析
1.4.1温度场分析有限元设定
排气歧管垫片单元类型采用DC3D15,实体单元类型采用DC3D4,面网格单元类型采用DS3.输入模型部件材料实测的随温度变化的弹性模量、柏松比和导热系数值.考虑到保密事宜,只展示排气歧管GGGSiMo51的随温度变化弹性模量曲线,见图10.
图 10排气歧管GGGSiMo51的弹性模量温度曲线
由于加载热边界时需要使用include语句,因此在进行模型搭建时一般进行手工编辑,而不是在Abaqus/CAE中进行.首先在HyperMesh中对各接触对进行绑定的定义,定义完绑定后导出inp格式,查看单元类型是否设定正确,在inp文件结尾添加分析步,见图11.
图 11分析步定义
模型搭建完成后提交计算,利用批处理方式提交,使用