排气歧管是汽车发动机的重要部件,承受着来自发动机的高温废气冲击及振动激励,其疲劳耐久性对发动机的可靠性能至关重要。因此,本论文针对某企业发动机可靠性试验时排气歧管出现局部开裂现象进行了相关研究,根据试验所得边界条件,运用有限元方法对该款发动机排气歧管进行了仿真分析,主要研究内容和结果如下:首先根据企业建模的规范流程及相应标准建立了分析模型。对比分析了三种k-ε湍流模型的优缺点,确定Realizable的k-ε湍流模型为流场模型;根据试验所得质量流和压强等边界条件,运用流固耦合方法及传热学理论计算得出排气歧管的温度场,发现在排气歧管的出口法兰及拐角处温度较高,且温度高达800℃左右。经对比发现,排气歧管温度较高的地方与排气歧管的实际裂纹的位置吻合较好,说明可能是因为热应力过大导致的疲劳破坏,同时也说明建立的排气歧管有限元模型可行。因此,可以将计算得到的排气歧管温度场作为后续模态特性计算及热力学分析的热载荷边界条件。其次分析了温度影响下的排气歧管动态特性及热力学性能。将温度场作为求解排气歧管模态特性及热应力热应变的热载荷边界条件,进行了常温和高温状态下的自由模态和约束模态分析,以及热力学分析。模态分析结果表明,常温时模态频率略高于高温时的模态频率,原因是高温时降低了刚度所致;但不管条件如何,其模态第一阶固有频率远高于发动机前五阶排气激励频率,因此认为共振导致排气歧管疲劳破坏的可能性很小。热力学计算结果表明,第1处裂纹热应力值约为342.99MPa,其塑性变形增量值约为1.03%,第2处裂纹热应力值约为344.86MPa,塑性变形增量值约为1.04%,两处的塑性变形增量均超过了企业允许值(1%)。因此,认为排气歧管的两处开裂是由于局部热应力过大产生了较大塑性变形增量所导致的热疲劳。然后分析了仅考虑机械载荷、仅考虑热载荷、以及考虑热机耦合载荷时的排气歧管所产生的应力应变,并进行疲劳寿命判断。仅考虑机械载荷时的结果表明,该状态下排气歧管所受应力及产生塑性应变很小,且小于疲劳极限,因此认为不是机械疲劳导致其破坏。当仅考虑热载荷时,排气歧管裂纹1处的疲劳寿命为79103次,裂纹2处的疲劳寿命次数为75913次,属于低周热疲劳;当考虑热机耦合作用时,排气歧管第1处裂纹的应力值约为351.71MPa、塑性变形增量约为1.10%,疲劳寿命次数为58944次,第2处裂纹的应力值约为348.79MPa、塑性变形增量约为1.08%,疲劳寿命次数为59820次,且两处的塑性变形增量都超过了企业允许值(1%),进一步说明了排气歧管的疲劳破坏是由于应力过大产生了较大塑性变形增量所致。同时对比三种条件下的应力、塑性变形增量及疲劳寿命次数结果发现,热载荷对排气歧管的疲劳破坏起主导作用,导致排气歧管开裂的原因是热应力过大产生了较大的塑性变形引起的疲劳破坏。最后,根据分析结果对排气歧管进行了相应改进和计算。改进后排气歧管的应力值、塑性变形增量值相比改进前都所有减小,塑性变形增量低于企业允许值(1%),且疲劳寿命次数有所提高,满足了企业的要求,说明改进后的排气歧管方案可行。