某柴油机EGR冷却器开裂失效仿真研究.pdf

某柴油机 冷却器开裂失效仿真研究杨一航许福东陈 明(.长江大学 机械工程学院湖北 荆州.法雷奥汽车空调湖北有限公司湖北 荆州)摘 要:某柴油机 冷却器在台架实验中出现局部开裂和泄漏问题 通过 软件进行有限元分析发现了 冷却器是由于外壳局部应力值大于材料屈服强度引起的开裂和泄漏 通过改进实验将气缸和外壳焊接在一起在外壳上加入一个压板提高气缸对外壳的支撑来减小应力值 仿真分析表明改进后的 冷却器当外壳的应力大大降低小于判定基准值时不再发生开裂和泄漏情况此结果获得了台架实验的验证从而确保能达到预期的效果关键词:冷却器 开裂失效 有限元分析 改进设计中图分类号:.文献标识码:文章编号:():.:林仲茂.世纪功率超声在国内外的发展.声学技术():.张凯.无纺布锥形口罩本体连续生产及耳带超声波自动焊接的研究.青岛:青岛科技大学./.:.梁明军周光平王家宣等.超声振动体的耦合振动研究.南昌航空工业学院学报():.梁召峰周光平莫喜平等.大尺寸圆柱形超声塑焊开槽工具头的设计.机械强度():.:():.任树初.压电振子的多维耦合振动()复合压电振子.声学学报():.作者简介:覃耀聪()广东人广东工业大学本科生收稿日期:引言目前由于汽车技术的飞速发展汽车尾气污染对大气污染已产生了相当严重的危害 柴油发动机是车辆的主动力它在运转过程中所释放的氮氧化物是影响大气环境的主要因子 为解决氮氧化物污染问题前人做了大量的研究工作并提出了使用废气再循环()技术 废气再循环系统()是将发动机排放的一部分废气与空气混合进入到 冷却中从而减少废气的排放 由于 冷却器是将高温气体从进气管引入冷却在 冷却器里形成内压循环当压力过大时会使 冷却器局部应力过大而引起开裂失效冷却器试制成功后针对其使用可靠性问题对 冷却器进行了发动机台架试验如果在规定时间内产品不发生变形和泄漏就认为其合格 然而冷却器在台架试验中发现 冷却器局部出现开裂和泄漏 失效位置主要集中在外壳上 因此本文重点对 冷却器结构失效件的开裂和泄漏问题进行了仿真研究 图 冷却器结构 冷却器结构和故障描述某 冷 却器结构如图 主要由进气缸、出气缸、排气管、外壳和压板构成外壳内部安 有 翅 片 和 芯管 冷却器的进气端通过进气管道并固定在进气缸上出气端用支架焊接固定在出气缸上外壳表面焊接有压板排气管通过压板焊接在外壳上 由于 冷却器各部件的零件设计和装配工艺不同在工作时容易造成局部应力集中从而引发开裂泄漏该 冷却器在进行台架实验后经检验发现其外壳局部有开裂和泄漏现象如图 所示 图中可以看出在 冷却器外壳上有裂纹且裂纹位置发现明显液体泄漏 这直接影响了 冷却器的运行效率 经初步判断导致 冷却器出现开裂和泄漏的原因有两个其一:冷却器的结构不满足此工况下的承载要求其二:焊接工艺不满足要求 基于这两个原因对 冷却器进行有限元分析图 开裂泄漏位置示意图 有限元分析.仿真计算边界为了便于对网格进行划分和计算在不影响有限元分析准确性的前提下去掉 冷却器上的一些圆角和倒角 利用 软件对 冷却器三维模型进行网格划分进行网格划分时采用壳体网格和实体网格相结合的方法减小计算机运行内存方便快速计算 对于 冷却器采用网格单元格尺寸 来划分为了检测网格质量是否达标在 的 命令中将检测的网格标准切换为 并设置最重要的三个参数进行检验如图 所示 网格质量检测合格后将网格模型导入 中图 网格标准设置在用 软件进行有限元分析时对于四面体网格的选择应尽量减少扭曲的单元采用网格单元 网格是 节点二阶四面体单元在四面体单元里是比较优良的可以应对大部分的单元扭曲 六面体网格使用网格单元 网格是 节点六面体网格能够克服剪切自锁问题在单元扭曲较小的情况下得到的应力结果比较精确 壳体网格采用网格单元 网格单元是四节点曲壳单元是一种通用的壳单元类型适应性很好既可以用于厚壳问题的模拟也可以用于薄壳问题的模拟 完成网格划分后通过对比图 实验结果确定开裂和泄漏的近似位置如图、图 所示在进行有限元分析时主要考虑这两个位置 图 断裂位置 图 泄漏位置 图 边界约束在仿真计算中模型各材料的参数如表 所示根据各系统零件装配的关系约束进气缸在装配位置的、三方向自由度 如图 所示由于 冷却器在工作时是内压循环因此在施加载荷时选中内压面分别赋予 和 的压力并且在进气口出气口施加一个背压以此工况确定 冷却器外壳强度是否满足要求表 材料属性零件名称材料密度/()弹性模量/泊松比排气管.外壳.进气缸.出气缸.计算结果通过 软件仿真计算 冷却器主要部件的最大应力值如表 所示表 冷却器应力值()压力外壳端板进气管出气管芯管 冷却器主要部件最大应力位置(圆圈部分)如图 所示图 主要部件应力图由表 得知在 压力循环下外壳的应力大于判定的基准值存在开裂风险 其余部件应力均满足要求因此对可能失效的部件外壳单独进行应力分析.外壳应力分析仿真分析表明外壳有两处位置存在较大应力集中如图、图 所示.1B图 压力云图.1B图 压力云图通过对比图 实验结果可以发现在外壳这两个地方的应力集中的情况和实验结果相吻合图 中 压力下外壳有两个位置存在较大应力集中分别为 和 小于判定基准值满足屈服强度 大于判定基准值存在开裂风险 图 中 压力下应力集中位置不变大小发生变化分别为 和 均大于判定基准值存在开裂风险 和 内压下最大应力位置均处于气缸和外壳相连的地方当应力过大会使气缸和外壳之间存在开裂导致缝隙的产生引发泄漏问题 同时在 软件里对 冷却器进行了变形分析如图 图 变形云图从仿真结果可以得出在 压力循环下变形最大可达.在 压力循环下变形最大为.最大变形处均在外壳同一位置 比较 冷却器得应力图和变形云图可以得知 冷却器工作时在 压力循环下外壳由于内部受压有向外膨胀的趋势当外壳材料的承载能力不足与抵抗内压导致外壳局部应力过大由于外壳局部应力大于判定基准值使得外壳和气缸的连接处产生出现开裂引发泄漏问题 改进方案.方案分析从上述有限元分析结果来看 冷却器开裂和泄漏的主要原因是在压力循环下外壳的局部应力过大当塑性材料的最大应力大于材料的判定基准值时容易引发材料开裂现象 当位置处于外壳和气缸连接处时由于开裂导致产生缝隙引发泄漏问题 因此为了增大外壳的强度改进方案选择将气缸和外壳焊接在一起并且在外壳侧面焊接一个压板以增大对外壳的支撑作用减少局部应力集中 如图、图 所示 图 焊接 图 压板.改进方案有限元分析在完成改进方案的设置后进行仿真分析其中 冷却器约束条件不变材料和工况不变仿真结果表明 冷却器在 和 压力循环下最大应力均小于判定基准值 冷却器不再出现开裂和泄漏风险如图()、()所示BCBSCCBS图 冷却器应力图由 冷却器整体应力图可以得知改进方案满足预期要求 为了对比改进后外壳的应力单独对外壳进行分析如图()、()所示:压力循环最大应力为 压力循环最大应力为 相对之前的 和 应力大幅度降低并且最大应力均小于基准判定值 因此从仿真分析结果来看改进方案符合设计要求BCBSCCBS图 外壳应力图同时对 冷却器进行了变形分析如图()、()所示可以看出对改进后的 冷却器外壳的变形减小并且最大变形位置也发生变化出现在外壳的另一面 在 压力下变形最大为.压力下变形最大为.BCBSCCBS图 变形云图 实验验证为了进一步验证 冷却器改进后的效果将改进后的 冷却器再次进行台架试验实验设备如图 所示 该设备工作使用介质为 柴油工作压力最高可达 实验条件参数如表 所示在 冷却器气道内加压至 并且设定循环次数 次同时在另一台设备给 冷却器气道内加压至 并设定循环次数 次在规定测试时间内如果 冷却器表面状态良好无泄漏情况可以大致认定改进后的 冷却器满足预期要求需通过扫描剖面来判断是否出现局部开裂表 实验条件参数实验项目温度/工作介质循环次数内压/柴油柴油在实验结束后发现改进后的 冷却器在原来工况下未发生泄漏且表面无变形对 冷却器易开裂位置进行显微形貌分析结果如图 所示改进后的 冷却器外壳未出现开裂 实验验证了仿真分析的结果确保了产品能达到检测要求 图 实验设备 图 冷却器剖面图 结论本文通过对 冷却器进行台架实验发现其局部有开裂和泄漏现象利用 软件进行有限元分析并计算出 冷却器各部分的应力值来判断失效位置 仿真分析结果与实际开裂和泄漏位置一致 针对 冷却器的失效问题进行了 冷却器的改进设计将 冷却器的气缸和外壳焊接在一起并在外壳侧面加入一个压板以增加气缸对外壳的支撑作用降低局部应力集中 其仿真分析表明改进方案后的外壳应力值大大降低小于判定基准值 经台架实验验证改进后的 冷却器在同样工况下未出现开裂和泄漏有效解决了 冷却器的失效问题进而延长了 冷却器的使用寿命从而规避了实际应用问题参考文献 何鹏刘宏钱乙余等.不锈钢 冷却器钎焊结构断裂分析.焊接():.向飞罗马吉.废气再循环()冷却器设计的现状与发展.中国水运(下半月)():.():.莫微君安伟.柴油机 冷却器仿真研究.装备制造技术():.王钰栋金磊.应用技巧与高级实例.北京:机械工业出版社:.石亦平周玉蓉.有限元分析实例详解.北京:机械工业出版社:.作者简介:杨一航()男硕士生研究方向:石油井下工具通讯作者:许福东()男博士长江大学机械工程学院工程力学教授从事石油井下工具的开发研究工作收稿日期: