基于有限元和FESAFE的柴油机排烟管振动下的疲劳寿命

因此，分析中假定排烟管在柴油机稳定工作状态 下，达到最大稳定热状态，计算其在不同的位移振动 条件下的动态应力和在该振动条件下的疲劳寿命。 ３．２模型的建立
采用了ＡＮＳＹＳ的热一应力直接耦合场分析方法。 在分析时，将热边界条件和振动边界条件同时施加在模 型上，通过直接耦合场分析方法得到总的应力值［１引。
关键词：内燃机；排烟管；振动；有限元；疲劳
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＣ ｅｎｇｉｎｅ；ｅｘｈａｕｓｔ ｍａｎｉｆｏｌｄ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ＦＥＡ；ｆａｔｉｇｕｅ
中图分类号：ＴＫ４２２．４
文献标识码：Ａ
Ｏ概述
对柴油机的疲劳强度分析研究主要集中于连 杆、曲轴等柴油机承载部件，象排烟管等非主要部 件，由于其所承受的动、静载荷均不大，往往会忽 略对其疲劳强度的研究；同时由于采用了高强度 的材料，通常认为不会出现因振动引起的安全问 题而忽视了疲劳强度校核。随着柴油机的强载度 的提高，对非主要零部件由于振动等工作条件的 变化所引起的疲劳强度等问题的研究显得非常 重要。本文针对某强载型柴油机运转过程中排烟 管断裂，通过对排烟管裂纹金相分析及检修发现： 断裂产生的原因是由于疲劳破坏及振动剧烈而引 起的。
收穑日期：２００７－０４一１３ 作者简介：易太连（１９７２一Ｊ．男．博士生．主要研究方向为动力机械结构设计与优化．Ｅ．ｍ叫：”ｌ埘一ｈｇ＠ｓｔⅡ＾∞ｍ。
万方数据
２００８年第３期
内燃机工程
断口金相分析表明：排烟管的破坏属于疲劳破 坏，疲劳裂纹源在管体和法兰盘接合部的根部。
２传统疲劳强度设计
图１排烟管断裂宏观形貌
ｕｍａｊｏｒ ｓｉｇｎ ｏｆ ｕｎｍａｊｏｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ
００ｍｐｏｎｅｎｔ ｂｅａｒｓ ｇｒｅａｔｅｒ访ｂｒａｔｉｏｌｌ．
摘要：运用有限元法和疲劳分析ＦＥ—ＳＡＦＥ软件对某型柴油机排烟管由于振动引起的疲 劳断裂原因进行了研究。研究结果表明：随着柴油机强栽度不断的提高，对柴油机部分零部件 的疲劳设计略显不足；当出现较大的振动时，不能忽略非主要零部件的疲劳强度设计问题。
图４疲劳断裂画上条形 附近形貌
图ｊ疲劳断裂面上 的裂纹
限；口。为平均应力。 在计算部件的工作安全系数时，根据相应的规
定和使用条件，通过查阅相关手册，可以得到各个相 关系数Ｋ，，￡，口，口一，的参数值ｍ１…。这些数值大部分 通过经验得到，因此结果有一定的误差。
对于均匀材质，材料性能离散程度小，且应力计 算又比较准确，可取Ｎ＝１．３～１．５［引。
传统的疲劳强度设计及计算的步骤为 （１）确定应力分量。 （２）计算等效应力，对于钢结构的零件，通常选 取最适合钢结构零件的Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ畸变能量理论。 （３）确定完全反向的弯曲应力Ｓ。，。 （４）查找疲劳寿命。根据材料的Ｓ—Ｎ曲线，可 查出这种材料耐久极限应力Ｓ。和断裂极限应力Ｓ，， 与之对应的应力交变循环值Ｎ。和Ｎｔ。从而可以得 到疲劳寿命Ｎ。，。
ｌ排烟管断口金相分析
图１为排烟管管体与法兰盘连接部分断裂面的 形貌实例。由图可见：在断口的表面上有代表着疲 劳断裂特征的贝纹线。在§５７０型电子显微镜下观 察断口形貌（图２）可见：断口具有海滩标记形貌（它 是发生疲劳破坏的一个标记），根据其走向可以找到 产生疲劳断裂的裂纹源。图２清晰地显示了条纹花 样汇聚指向一个源点Ａ，此处较为平坦，为明显的颗 粒状（结晶状）断口形貌，因此Ａ点即为疲劳裂纹源。 在高倍下进一步观察断口形貌（图３），尽管受到使用 时振动摩擦影响，但在断口上某些区域还是发现了 疲劳裂纹。这进一步说明了排烟管在复杂应力作用 下发生疲劳断裂的历程。
根据排烟管的实际尺寸（图６）建立三维有限元 模型，假定整个排烟管在制造过程中不会产生残余 应力；同时简化波纹管，利用等刚度圆筒替代方法建 立了波纹管的模型（图７）。在进行网格划分时，选用 热一应力耦合四面体单元ＳＯＬＩＤ９２，整体上规定了 所划分后得到的单元最大边长不能大于８ｍｍ，同时 打开程序的Ｓｍａｒｔ ｓｉｚｅ控制功能，让程序决定在某 些曲面变化较大的地方进行细化，自由网格划分后 不存在不合格单元，网格划分后的模型见图７（图中 单位：ｍｍ）。排烟管使用材料为Ｘ１５ＣｒＮｉＳｉ２０一１２，通
易太连１，吴杰长１，刁爱民２。欧阳光耀１ （１．海军工程大学船舶与动力学院，武汉４３００３３；２．海军工程大学科研部）
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｌｉｆｅ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｍａｎｉｆｂｌｄ ｏｆ ａ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ
Ｕｓｉｎｇ ＦＥＡ ａｎｄ ＦＥ－ＳＡＦＥ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
排烟管的疲劳强度及疲劳寿命分析采用ＦＥ— ＳＡＦＥ疲劳分析软件，ＦＥ—ＳＡＦＥ是进行耐久性分析 的专用模块，包括材料数据库、载荷组合、高级的多 轴疲劳分析功能，并自动识别疲劳“热点”。ＦＥ— ＳＡＦＥ通过读取有限元分析计算出的单位载荷或实 际工作载荷下的弹性应力，然后根据实际载荷工况 和交变载荷形式计算疲劳寿命。
由于排烟管受到的载荷为多次重复变化的周期 性载荷，虽然最大应力值始终没有超过排烟管材料 的强度极限，甚至比弹性极限还低很多，但在周期性 载荷作用的情况下，排烟管就有可能发生疲劳破坏。
该型柴油机发生断裂的排烟管是长排烟管，对 裂纹进行金相分析结果表明：排烟管的断裂为疲劳 断裂，裂纹源出现在长排烟管与法兰头相连部位。 因此，有必要从理论上对排烟管进行疲劳强度及疲 劳寿命分析。
疲劳安全系数计算方法是由下式得到
肚矿喾一缈杀“
＠）
式中，盯一。为应力比为“一１”的疲劳极限；Ｋ。为有效
应力集中系数；ｅ为尺寸系数；ｐ为表面系数；口。为应
力幅，ｃｒｌ一，塑ｆ 生一产，，ｒ ｄ。＝塑坠，｝ｔ业；１＿盯＾ 。，、盯。ｉ。分别为
相对应节点的最大应力和最小应力；亿为不对称循
环度系数，钆一生ｌ二曼，叮。为应力比为“Ｏ”的疲劳极
（２）振动。排烟管上端固定连接到废气涡轮增 压器上，在工作过程中，排烟管上端是随着废气涡轮 增压器一起振动的。相同条件下，由振动测量检测 结果可知：．在转速为１ ２５５ ｒ／ｍｉｎ时，排烟管没有发生 断裂的柴油机的排烟管上端法兰端相对于下端波纹 管底部的相对振动位移的最大振幅为ｏ．１５ ｍｍ，而 排烟管发生断裂的柴油机为０．６０ ｍｍ。
（ａ）＋０．１５ｍｍ 图９排烟管温度为５００℃在士０．１５ｍｍ振幅下Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ
应力分布云图
３．５振幅为０．６０ｍｍ应力 当最大振幅为±ｏ．６０ｍｍ时，排烟管的应力分布
情况，如图１０所示。由图可见：相对振动位移最大振 幅为＋０．６０ ｍｍ时，排烟管管身的最大应力为 ４８７．０２１ ＭＰａ；相对振动位移最大振幅为一ｏ．６０ ｒｎｎｌ 时，排烟管管身的最大应力为６６Ｌ １５４ＭＰａ，最大Ｖｏｒ卜 Ｍｉｓｅｓ应力基本上都位于排烟管管身与法兰头相连部 位，整个管身的应力没有超过材料的许用应力范围。
ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ＦＥＡ ａｎｄ ＦＥ—ＳＡＦＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｉｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ＩｅＶｅＩ ｏｆ
ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕ｝ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｍｐｏｎａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｓｅｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅ—
【ａ）＋Ｏ．６０ｍｍ 图１０排烟管温度为５００℃在±Ｏ．６０ｍｍ振幅下
ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力分布云图
从排烟管在振动条件下应力计算和分析可知： 无论振动位移振幅为０．６０ ｍｍ还是为Ｏ．１５ ｍｍ，整 个排烟管的应力都符合要求。
４疲劳寿命分析
通常，疲劳破坏首先在某一点（一般接近构件表 面）产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”，而裂纹从 疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开 的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成 一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐 扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静 强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂。
某强载型柴油机在运转过程中，其排烟管发生 了断裂。由于排烟管的工作过程为动态振动过程且 受力复杂，因此需对整个振动过程做一个动态分析 的疲劳寿命分析与强度校核。在分析过程中，应根 据排烟管的实际情况来施加载荷和约束。
排烟管在整个动态工作过程中，主要受到２种 载荷的作用：
（１）热载荷。燃烧后的废气流过排烟管，使得 整个排烟管的温度升高后产生膨胀，从而在整个排 烟管内产生热应力的作用，当工作过程稳定下来后， 即排烟管的温度达到稳定后，热应力也就达到了稳 定状态。废气实测平均温度７００℃，通过计算［１１｜。可 以得到排烟管管身平均温度大约为５００℃。
第２９卷第３期 ２００８年６月
内燃机工程 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１０００—０９２５（２００８）０３一０７６一０５
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００８
２９００５４
基于有限元和ＦＥ—ＳＡＦＥ的柴油机排烟管 振动下的疲劳寿命
２．０ｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ＤｅｖｅＩｏｐｍｅｎｔ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ＿ｂｒｏｋｅｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅ）【ｈａｕｓｔ ｍａｍｆｏｌｄ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｆｒｏｍ访ｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ
图２疲劳裂纹源和海滩标记
图３疲劳断口上的疲劳条带 对图１断口上其它地方进一步观察（图４）可发
现，中间（箭头所指）是一个韧带，两边具有解释断裂 的相貌特征，这说明裂纹扩展在此停顿。当裂纹重 新扩展所产生的在断裂面上可以看到的裂纹，如图５ 所示。
目前，传统的疲劳强度设计及计算所采用的方 法是将有限元法与传统的安全系数设计相结 合‘１￣引，由于传统安全系数计算的经验公式所适用 的范围各不相同，导致在计算零部件的疲劳寿命时，ＷＵ Ｊ ｉｅ．ｃｈａｎ９１，ＤＩＡＯ Ａｉ—ｍｉｎ２，ＯＵＹＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｙａ０１ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３，Ｃｈｉｎａ；