摘 要

排气歧管作为发动机的主要部件之一，其结构对发动机的性能至关重要。排气歧管的振动特性影响结构的疲劳损坏，热应力特性决定了排气歧管的热负荷承载能力，流动特性决定了发动机的扫气排气能力。因此，进行排气歧管的模态、温度场及流场分析，对改进排气歧管结构，提高排气歧管工作效率及使用寿命有着重要的指导意义。

利用三维制图软件(CATIA)建立了某柴油机排气歧管的三维模型，在 ANSYS 软件中转换成有限元模型，划分网格，然后对其进行了自由模态分析；由排气歧管的相关参数，明确排气歧管的温度场分析边界条件，运用mesh模块划分固体模型有限元网格，然后进行稳态温度场的仿真分析；此外，运用ANSYS的Geometry模块对排气歧管的流体建立模型，划分固体结构网格和流体网格，通过查阅排气歧管工作条件，设置相关的温度、流速、压力等边界条件，对排气歧管进行了稳态内流场的计算，仿真分析了其内部气体的流动情况。

通过对排气歧管的仿真分析，发现其结构强度较好、热承载能力较强、内部气流运动顺畅，排气歧管性能较为优异。同时，在进行稳态热分析时，发现其进气口法兰部分温度梯度较大，热应力集中，不利于长期工作，需要进行局部优化。通过参考其他排气歧管的结构，并结合法兰部分的温度分布梯度，对排气歧管进行了相应的结构改进，分析优化前后的结构温度云图，得出优化后排气歧管的法兰部分热应力集中现象有明显改善。

关键词： 排气歧管、有限元、模态分析、结构优化

Abstract

Exhaust manifold is one of the main components of the engine, and its structure is very important to the performance of the engine. The vibration characteristics of the exhaust manifold affect the fatigue damage of the structure, and the thermal stress characteristics determine the heat load carrying capacity of the exhaust manifold, and the flow characteristics determine the capacity of the engine's air sweep and exhaust. Therefore, the analysis of the modal, temperature field and flow field of the exhaust manifold is of great significance for improving the structure of the exhaust manifold and improving the working efficiency and service life of the exhaust manifold.

In this paper, three-dimensional model of a diesel engine exhaust manifold is established by using 3D graphics software (CATIA). In the ANSYS software, the finite element model is converted into a finite element model, and the grid is divided. Then the free modal analysis is carried out. Parameters related to the exhaust manifold can clear the boundary conditions of the temperature field of the exhaust manifold and use the mesh module. The finite element mesh of the solid model is divided into the simulation analysis of the steady temperature field. In addition, the fluid model of the exhaust manifold is established by using the Geometry module of ANSYS, and the solid structure grid and the fluid grid are divided. By consulting the working conditions of the exhaust manifold, the related boundary conditions, such as temperature, velocity, pressure and so on, are set up, and the boundary conditions of the temperature, velocity and pressure are set up. The internal flow field of the exhaust manifold is calculated, and the internal gas flow is simulated and analyzed.

Through the simulation analysis of the exhaust manifold, it is found that the structure of the exhaust manifold is better, the heat carrying capacity is stronger, the air flow is smooth and the performance of the exhaust manifold is excellent. At the same time, in the steady thermal analysis, it is found that the temperature gradient of the inlet flange is larger and the thermal stress is concentrated, which is not conducive to the long-term work, and local optimization is needed. By referring to the structure of other exhaust manifold and the temperature distribution gradient in the flange part, the structure of the exhaust manifold was improved and the structure temperature cloud chart was analyzed before and after the optimization, and the heat stress concentration of the flange part of the exhaust manifold was improved obviously.

Keywords: exhaust manifold, finite element, modal analysis, structural optimization.

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 1

1.3本文主要的研究内容 3

第2章 排气歧管理论基础及建模 5

2.1排气歧管简介 5

2.2有限元法及有限元模型 6

2.3排气歧管三维建模 6

2.3.1排气歧管主体建模 6

2.3.2排气歧管装配零件建模 8

2.3.3排气歧管装配 8

2.4 本章小结 10

第3章 排气歧管仿真分析 11

3.1 排气歧管温度场分析 11

3.1.1 ANSYS温度场分析理论 11

3.1.2传热学基本理论 11

3.1.3 排气歧管的温度场分析 13

3.2 排气歧管模态分析 15

3.2.1 模态分析概述 15

3.2.2排气歧管自由模态分析 16

3.3 排气歧管流场分析 18

3.3.1流场分析概述 18

3.3.2排气歧管流场分析 18

3.4 本章小结 21

第4章 排气歧管结构优化及分析 22

4.1 结构优化 22

4.2 优化结构分析与比较 23

4.3 本章小结 24

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

随着社会文明水平的不断发展，人们的物质文化需求也在不断提高，作为社会发展元素之一的汽车也在不断进步，其结构形式及功能也在不断地强大。虽然汽车发展迅速，但仍然存在较大的环境问题及社会问题，这也需要不断对汽车进行优化设计。作为汽车核心的发动机关键部件之一，排气歧管的发展也随之在不断改进，从其材料选取到结构设计，都随之有着重大的突破，其结构优化对废气排放及发动机效率的提高极其重要。

一方面随着汽车工业不断发展的需要和如今全世界对能源需求的不断增大，节能与减排成为汽车行业发展的趋势；另一方面发动机排气歧管的热负荷承载能力、流动特性对发动机的功率、油耗性能、环保性能产生很大的影响，对其进行优化结构，能极大提高发动机性能。

对柴油机排气歧管进行模态分析，分析其振动疲劳失效的原因，从而改进排气歧管结构，提高其寿命^[1]；对排气歧管进行内流场分析，能充分了解工作条件下其内部气流运动变化，以便对流场分析过程中存在的问题进行结构优化，增强发动机效率；对排气歧管进行热应力分析，能有效了解排气歧管各部分的高温承载能力，有利于排气歧管局部优化，能有效避免局部高温、排气歧管开裂、密封不严等问题。通过对某柴油机的振动特性、内流场与热应力分析，能发现某柴油机设计的缺陷及可能存在的问题，对某柴油机结构进行合理优化，并有效提高柴油机排气歧管性能，降低疲劳损耗，同时，也对同类发动机排气歧管的优化设计提供借鉴。

1.2国内外研究现状及发展趋势

早在十九世纪中叶，排气歧管就引起了国外的科学家的重视，研究者对排气歧管开始了各方向的研究，也对排气歧管的各种特性也有了一定的认识，但限于当时研究理论及研究条件的限制，对许多方面的内容还处在初步认识阶段，仍存在大量空白的领域等着后来者去发掘。与之相对，国内对于排气歧管的研究则落后许多，但随着国内研究条件的改善及国际形势的变化，排气歧管相关的研究交流活动增加，这也逐步带动了国内排气歧管研究水平的上升。同时，随着国际先进汽车企业的进入及我国研究水平的提高，在排气歧管研究上也取得了许多重要的成果，并用于实际生产中。自从计算机技术快速发展以来，排气歧管的研究也进入了高速发展的快车道，尤其在计算机仿真软件应用后，排气歧管研究的客观条件降低，更多研究学者能够投入其中，使得排气歧管的研究取得巨大进展。人们利用这些仿真分析软件，对排气歧管的性能优化研究取得许多进展。目前，国内外对汽车排气歧管的研究大致可以分为三个方向：排气歧管振动特性研究、排气歧管内流场分析、排气歧管热应力分析及其疲劳寿命分析^[2]。

1) 在排气歧管振动特性研究方面

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