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发动机排气歧管非稳态传热串行耦合分析方法研究
| 论文题名： | 发动机排气歧管非稳态传热串行耦合分析方法研究 |
| 关键词： | 排气歧管;非稳态传热;串行耦合;热疲劳;发动机 |
| 摘要： | 排气歧管作为内燃机主要受热部件，在温差很大、高温废气热冲击频繁、行驶条件恶劣的工作环境作用下，易产生裂纹，造成热疲劳失效。目前，国内对固体结构的热疲劳研究尚处于起步阶段，难点不仅在于结构分析的高度非线性求解，还在于如何将变化的热边界条件施加到结构上。此外，长久以来排气歧管的结构分析和流体动力学分析都是独立的，对结构与流体间相互作用的研究主要集中于稳态传热，对非稳态传热条件下的研究不多。因此，本文以发动机排气歧管为研究对象，实现了将固体与流体直接连接，进行完全双向耦合的非稳态传热模拟方法，其研究具有重要的工程应用价值。 本文采用CFD软件STAR-CCM+6.04与FEA软件ABAQUS6.11-1串行耦合实现耦合界面数据实时传递的研究方法，建立起排气歧管非稳态耦合传热模型。实现了结构与流体间的双向热耦合模拟，解决了热疲劳分析的瞬时热边界条件施加到固体边界上的难题。在非稳态耦合传热模型建立过程中，着重分析并解决了网格划分及匹配，非稳态温度加载，流固交界面物理量传递方法，时间步长确定等难题。非稳态温度加载及交界面物理量的传递通过编写相应程序来实现。合理的时间步长对计算精度和计算稳定性非常重要，由于流体和固体计算均需确定时间步长，如何将两者之间各自的时间步长设置合理，是解决问题的关键。通过参考库朗数并综合考虑计算速率、计算内存及收敛可行性等因素的影响，最终通过STAR-CCM+将变化的时间步长输出给ABAQUS的方式得到协调的时间步。而变化时间的步长同样通过编写相应的程序代码实现。 在此基础上，为比较强耦合法与分区求解法热应力数值分析的差异，利用STAR-CCM+的热应力求解功能（强耦合法）及STAR-CCM+与ABAQUS串行耦合求解法（分区求解法）对同一排气歧管进行了静态热应力分析，找出一种更方便快速求解静态热应力的方法。接着研究了散热对排气歧管热温度场的影响，结果表明外部散热条件对排气歧管的温度场有很大影响，为设计排气歧管散热装置提供了有效的参考依据。 最后，针对非稳态及稳态温度场下的热应力分析，应用Manson-Coffin公式对排气歧管的热疲劳寿命进行了估算，并给出了一般的定性分析。 |
| 作者： | 李雪妮 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 刘志恩 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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