柴油机消音器外筒体裂纹故障分析 

针对某型柴油机消音器外筒体出现的裂纹故障，对该柴油机消音器外筒体的结构作了分析，并通过数值模拟方法从热应力和预应力两方面对该柴油机消音器外筒体作了应力分析。分析结果表明，该柴油机消音器外筒体的焊接工艺不合理是导致裂纹故障的主要原因。
某型柴油机排气系统安装有柴油机消音器，其主要作用是降低柴油机排气温度，消减排气噪声，同时保证柴油机在承载较高排气背压的情况下正常起动。
本文针对该柴油机消音器外筒体出现裂纹，进一步导致漏水这一故障，通过数值模拟方法分析裂纹产生的原因。
2柴油机消音器故障情况
某型柴油机在使用过程中多次出现柴油机消音器外筒体表面产生裂纹并漏水的故障，经观察发现，裂纹产生的部位有一定规律性，具体表现为：靠近柴油机消音器自由端外筒体二道环形焊缝(见图1a)周边每隔150mm左右出现明显的凸起(见图1b),解剖凸起部位发现，内部有沿筒体轴向放置的矩形垫块，在外筒体表面手摸可感到有约100mm长、20mm宽的局部变形，凸起部位出现沿轴向的裂纹，且裂纹处有明显径向错位，见图1c。

3柴油机消音器外筒体裂纹原因分析
3.1柴油机消音器结构与性能
柴油机消音器水腔由外筒和内筒组成，内、外筒体钢板厚度分别为10mm和4mm,水腔间隙8mm,进水温度≤36℃,出水温度≤42℃,沿轴向螺旋流动，流量Gw=16.7kg/s;靠近柴油机消音器自由端外筒体二道环形焊缝位置，水腔内外筒体之间每隔150mm均匀分布一30mm×30mm×8mm的矩形
图1

垫块，该垫块是在柴油机消音器外筒体两段焊接前，为了保证内外筒体均匀分布的8mm冷却水腔间隙，焊接在水腔内筒体上。水腔内筒和气腔中筒组成气腔，气腔内气体的平均温度约为500℃,沿轴向流动，流量为G﹒=2kg/s。水腔外筒温度为环境温度35℃。材料特性：密度7940kg/m3,弹性模量2.1e”MPa,泊松比0.29,线性热膨胀系数1.7×10-5/K,导热系数18W/(m-K)。柴油机消音器垫块处局部结构见图2。
图2柴油机消音器垫块处局部结构

3.2热应力分析
3.2.1几何模型
为分析热应力，对实际结构进行如下简化处理：
(1)垫块与筒体的接触为部分两个面接触，每个面沿周向宽度为5mm,轴向长度不变。
(2)不考虑水腔内筒内壁焊接的30根换热肋片；
(3)不考虑柴油机消音器内部其他结构的影响。
以上三点假设，均使相应的热应力计算结果较实际情况应更保守。
3.2.2边界条件的确定
(1)水腔外筒的外壁表面
水腔外筒的外壁表面处于周围环境之中，它与周围环境之间的换热主要以自由对流换热的方式进行。由此可得水腔外筒的外壁表面的对流换热系数hi为1.83W/(m2-K)。
(2)水腔外筒的内壁表面和水腔内筒的外壁表面
水腔外筒的内壁表面和水腔内筒的外壁表面构成为一环形水腔空间，内部充满约40℃的水，按管内对流换热可求得水腔外筒的内壁表面和水腔内筒的外壁表面的对流换热系数h2为6470W/(m2-K)。
(3)水腔内筒的内壁表面
(1)温度场
经Ansys求解后，所得模型的温度场如图3,垫块处局部温度场如图4。

图3模型的温度场

该气腔空间仍为一环形空间，按管内对流换热可求得水腔内筒的内壁表面的对流换热系数h3为139W/(m2K)。
3.2.3热应力分析(不考虑垫块对水腔外筒的应
力作用)
按上述边界条件对几何模型进行有限元热应力分析可得如下结果。
图4垫块处局部温度场

分析图3和图4可知，水腔外筒的温度几乎为定值，而水腔内筒的温度则有明显变化。这是由于水的对流换热量很大，通过垫块的热量传到水腔外筒之前即被水流带走；水与水腔外筒内壁表面的对流换热远大于水腔外筒外壁表面的自热对流换热，使水腔外筒的温度接近水温。

(2)热应力
等效应力是考察材料是否失效的依据，以下均考察模型的等效应力。模型的等效热应力计算结果如图5,可以看出，除垫块外，水腔外筒的热应力很小，这是由于其温度很低，且温度梯度很小所致。水腔内筒的热应力较大，是由于水腔内筒的温度梯度变化较大引起的(从图3和图4可以看出)。模型的热应力大位置在垫块处，其等效热应力计算结果如图6。

图5模型的等效热应力

图6垫块处局部等效热应力

由图6可以看出，等效热应力大位置在垫块与水腔外筒的交界面处，大值为301MPa。然而局部大应力并不一定能引起结构的破坏，在保守情况下，这里取垫块处淡绿色的贯穿等效应力(即该应力穿透了整个水腔外筒壁)作为参考值，来考察热应力对结构造成的影响。可以看出图中淡绿色代表的应力值约为150MPa,该应力值在材料的强度极限内。即在垫块对水腔外筒无施加预应力，但局部存在面接触的情况下，消音器在工作时外壳受到的应力小为150MPa。
3.3预应力分析
在组装柴油机消音器外筒体时，若垫块安装不合理将导致水腔外筒产生变形，进而产生预应力。为分析水腔外筒预应力的大小，这里给出水腔外筒应变及其对应力的三种情况。由于筒体是弧形的，而垫块的截面是矩形的，那么两者在接触时一定是两条线接触，这给计算应力和应变带来了很大的困难，也跟实际情况不符。进行这样的假设，就是在线接触的部位设定为“面接触”,也就是将接触线的位置假设成两个小的接触面。三种情况指的是，分三种情况假设接触面积，之所以做这样的假设是因为不知道实际情况下，筒体和垫块有多少面积接触上了。
图7为水腔外筒应变云图，图8为水腔外筒应变对应的预应力云图。从图上可以看出，水腔外筒大变形位置处于垫块处，与实际情况相符。三种不同假设下，大变形所对应的等效应力大值和贯穿应力值如表1。
根据应力学原理，等效热应力和预加等效应力的大值所处位置和方向相同，二者之和即为在预应力和热应力共同作用下水腔外筒总的等效集中应力。此三种情况下，考察贯穿应力值，在不考虑材料屈服的情况下，实际柴油机消音器水腔外筒在受热情况下总的等效集中应力如表1。可以看出，垫块对水腔外筒的影响在受热前施加的预应力越大，柴油机消音器在受热后产生结构破坏的可能性越大。

图7

图8

表1三种不同假设下等效应力结果

 假设1 假设2 假设3
等效大应变/mm 0.0797 0.159 0.319
等效大应力/MPa 63.2 126 253
等效贯穿应力/MPa 30 60 130
等效热应力/MPa 150
总的等效集中应力/MPa 180 210 280

4柴油机消音器计算结果分析
4.1对模型所做的假设说明
(1)垫块与水腔外筒的接触在实际情况下应该为线接触，而这里假设为局部面接触，分析所得的水腔外筒所受的局部集中应力偏小；
(2)实际柴油机消音器中，水腔内筒内侧(气流侧)还焊有30片导热肋片，这里没有考虑肋片对导热的影响，所得的水腔内筒温度偏低，导致水腔内筒热变形较实际偏小，进而使分析所得的水腔外筒所受的局部集中应力偏小；
(3)柴油机消音器气腔中筒以及其它内部结构未作考虑，而实际中这些结构的温度较高，产生的热膨胀也会导致水腔外筒热应力增大。
因此，水腔外筒所受的实际应力应该比文中计算的结果还要大。
4.2柴油机消音器计算结果分析
(1)垫块与水腔外筒的接触位置是柴油机消音器热应力集中部位；
(2)垫块与水腔外筒安装不合理(过盈装配)时，会导致垫块与水腔外筒的接触位置产生预应力；
(3)热应力和预应力之和(这里考虑应力同向)为柴油机消音器水腔外筒实际受到的应力，该应力可能会导致水腔外筒产生结构破坏。
5改进建议
(1)故障处理过程中多次发现垫块与外筒体焊接为一体，从而导致内外筒体刚性连接，因此建议改进焊接工艺或者修改外筒体两部分的焊接位置，避免这一问题发生。
(2)在外筒体两部分焊接前，对垫块安装及焊接过程进行严格控制，避免垫块挤压外筒体，从而产生预应力。