1. 研究目的与意义（文献综述）

1. 选题的依据、目的和意义：

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   2. 研究的基本内容与方案

   1. 国内外研究现状及发展趋势：

      国外对排气歧管的研究已经有几十年的历史，早在上世纪五六十年代，国外的工程师们对排气歧管就进行了各方面的研究，在理论和试验方面都取得了很多成果。国内对汽车排气歧管研究方面起步比较晚，但随着科学技术的发展，学术交流的活动日渐频繁地开展，为提高国内的研究水平提供了重要的平台，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。自从计算机技术于1940年代快速发展，排气歧管的研究也进入了高速发展的快车道。一些研究学者希望通过计算机数值模拟程序来对发动机排气歧管进行优化改良,这一想法后来慢慢演变发展成现如今的有限元仿真软件^[3]

      。人们利用这些数值模拟计算软件，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。

      1)在排气歧管振动特性研究方面

      1995年Dentsoras 和Kouvaritakis 研究了激励频率对疲劳裂纹扩展寿命的影响^[4]。1999 年 Bishop 利用功率谱密度函数表示疲劳载荷在频域内进行随机振动疲劳寿命分析计算^[5]。进入21世纪，国内学者许天资根据反射镜附件的振动疲劳分析，对影响因子进行分析，并对其进行优化^[6]。潘丽华、安刚等人对铝合金壳体和缺口件进行随机振动疲劳试验^[7]。王明珠通过软件仿真和试验验证，预测了阻尼和应力集中对振动疲劳寿命的影响^[8]。刘志勇通过某柴油机新设计的排气歧管在试验过程中出现开裂现象,全面分析该排气歧管的热应力和振动特性，用非线性结构分析软件ABAQUS软件对有限元模型计算，结果表明排气管开裂不是由热应力引起的,而是共振的原因,建议更改排气歧管加强筋以提高它的刚度,提高排气系统的固有频率,避免与发动机产生共振^[9]。杨明慧通过对排气歧管动态特性进行分析、研究,探明了排气歧管发生断裂的主要原因是发动机产生的谐波激励引起了排气歧管共振,导致了排气歧管的断裂，提出了以提高排气歧管的固有频率为目的,从排气歧管的材料和结构两方面进行优化的技术方案^[10]。但是由于振动疲劳机理很复杂，还有很多问题没有解决，结构振动疲劳理论研究还很不成熟，有待当代学者继续深入研究。

      2)在排气歧管内流场分析方面

      2006 年，广西玉柴机器公司的李湘华等对某型柴油发动机排气歧管进行三维仿真模拟，根据模拟的结果进行两次优化，优化后的结果表明内部气体流动更加顺畅，管内的涡流明显变小，能量损失减小，流量均匀性有较大提高^[11]。2008 年，河南科大的马帅营等人对某发动机排气歧管进行实验，建立内流场的结构模型，通过AVL FIRE软件对排气歧管的内流场进行了仿真模拟，比较了进出口压力损失值，并分析各排气歧管压力差异的原因，为排气歧管的优化打下基础^[12]。2010 年，同济大学周毅、黄文凯通过 BOOST 软件仿真模拟某型汽油机一维流动，结果表明原方案未能达到发动机性能要求，通过改变排气歧管的连接方式，提高了发动机的外特性功率和扭矩，达到了最优的目的^[13]。杨文贞采用数值模拟仿真软件分别对排气歧管改进前和改进后通道的各缸排气背压及歧管排气气流均匀性进行仿真，仿真结果表明改进后排气歧管结构能明显降低排气背压和各通道不均匀性^[14]。黄泽好用有限元方法分析各缸对应支管的单管流速分布和三元催化剂前端截面的流速分布,并根据分析结果对排气歧管进行结构优化,改进后的排气歧管在各缸流量均匀性、减小流通阻力、漩涡消失、气流噪声和能量损失方面取得较明显的效果^[15]。对于排气歧管内流场的研究，国内外学者在新的方向不断地探索着。

      3）在排气歧管热应力分析及其寿命分析方面

      2004 年，De Anglies 等人将排气管内部热流动状态与排气管本身结构进行热耦合计算,对排气歧管热状态分布以及热载荷分布进行了预测分析，最大程度避免了排气歧管结构的热疲劳失效，提高了结构的可靠性。常耀红通过 AVL-Fire 和 ABAQUS 软件，对某直喷汽油机进行排气歧管热机械疲劳分析^[16]。Seifert，Thomas等运用循环可塑性和微裂纹计算方法,结合有限元方法和试验提出了排气歧管在热载荷作用下的疲劳寿命预测方法^[17]。Watanabe等对不锈钢排气歧管破裂的原因进行了预测,并以拉伸-压缩试验获得的应力应变曲线来保证预测的准确性,研究表明该排气歧管的破裂是由于发生在高温下的热疲劳引起的^[18]。

      
      

      排气歧管热应力分析及其疲劳寿命分析一直是研究难点。不过，国内外研究人员依然对其进行了大量的研究，并取得了许多突破。国内外研究人员根据流体分布和温度分布，预测了排气歧管的热疲劳寿命。此外，部分研究者根据耦合热流体分析和热应力分析，介绍了有限体积法和有限元法的三种耦合方法，并比较了这三种方法的优缺点^[19]。

   2.本课题研究内容和技术方案

   1. 本文的研究对象是某柴油机排气歧管，利用有限元仿真软件对其进行排气歧管振动特性分析、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。排气歧管是发动机排气系统非常重要的一部分，它对热负荷和热应力的承受能力决定了发动机的可靠性；排气歧管内的流动状态，则影响了发动机的扫气性能、残余废气系数和泵气功能等性能^[20]。在查阅发动机排气歧管相关文献，了解柴油机排气歧管的优化研究现状后，借助计算机辅助设计技术，运用三维建模软件 CATIA 对柴油机排气歧管进行建模，运用 ANSYS对其进行有限元前处理，对几何建模进行必要的简化，然后选取适当的单元类型、单元大小、网格的划分方法以及网格质量的控制标准建立有限元模型。然后阐述了模态分析理论，并基于这些理论，进行模态分析，为进一步模态法频响分析做准备。

      大致技术方案如下：

   
   

   1. 根据选题相关的需求，查阅与检索相关参考文献，了解选题的研究内容和可采用的方法；

   2. 通过对发动机排气歧管的文献查阅，掌握发动机排气歧管的基本结构及作用，熟悉与排气歧管相关联的部件；

   3. 利用CATIA软件，通过掌握的排气歧管结构与作用，结合选题提供的排气歧管模型，绘制出排气歧管的三维模型；

   4. 利用计算机辅助软件对此发动机排气歧管进行有限元模型的搭建，并对有限元模型进行振动分析、内流场分析及热应力分析及其疲劳分析；

   5. 针对仿真软件分析结果，探讨排气歧管存在的问题，并针对排气歧管存在的问题进行结构优化；

   6. 对改良的设计进行仿真分析检验，并对优化方法的效果进行评价。

   7. 对整个仿真优化过程进行思考探讨，并撰写报告

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   3. 研究计划与安排

   1. 进度安排

   周 次（时间）	工 作 内 容
   1 ~2（2.26~3.9）	提交文献摘要。撰写开题报告。完成网上提交开题报告。整理论文提纲，设计概要。
   3~4（3.12~3.23）	进行外文翻译，并提交外文翻译译文。
   5~6（3.26~4.6）	绘图，撰写毕业设计说明书（设计类）。
   7~8（4.9~4.20）	撰写毕业设计说明（设计类），绘图。
   9~11（4.23~ 5.11）	完成绘图，并完成网上提交毕业说明书。
   12（5.14~5.18）	书面提交毕业设计说明书、图纸或论文，并打印成册。并书面提交答辩申请，并作答辩准备；
   13~14（5.21~ 6.1）	教师审阅毕业设计说明书和图纸，审查确定学生答辩资格并予以公示。
   15（6.4 ~ 6.8）	毕业设计答辩。

   4. 参考文献（12篇以上）

   
   

   
   

   
   

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