Почему трескается коллектор: виновата не температура, а жёсткость

Выпускной коллектор нагружен не столько силой, сколько температурой и её неравномерностью. Раскаленные газы проходят по внутренним каналам, наружная поверхность обдувается воздухом моторного отсека, а разница температур между тонкими и массивными участками отливки создает внутренние напряжения без какой-либо внешней механической нагрузки. Такую задачу можно решить только связанным расчетом: сначала теплопередача, потом механика на основе полученного поля температур.

В реальности именно из-за этого эффекта детали часто разрушаются в самых неожиданных местах — например, на стыке раскаленных тонких труб и массивного холодного фланца. Обычный прочностной расчет с постоянными свойствами материала здесь бессилен: он не увидит критических зон. Чтобы найти истинную причину трещин, инженеры применяют связанный конечно-элементный анализ (CAE), где тепловая и механическая задачи решаются совместно, шаг за шагом имитируя реальный прогрев двигателя.

Постановка расчёта

Конечно-элементная модель выпускного коллектора: объемная тетраэдральная сетка, 58 318 элементов

В разобранном примере коллектор четырехцилиндрового двигателя из серого чугуна. На входные каналы подавалась температура 500 К, на наружную поверхность, конвективная теплопередача с коэффициентом 6 Вт/(м²·К), температура окружающей среды и начальная температура детали, 300 К. Материал откалиброван кривыми напряжение-деформация при нескольких температурах, поскольку у чугуна механические свойства заметно меняются в рабочем диапазоне.

Кривые напряжений-деформаций серого чугуна при разных температурах, использованные для калибровки материала

Первым шагом рассчитывается нестационарная теплопередача и определяется история распределения температур на каждом шаге по времени, общей длительностью 100 секунд. Вторым шагом это поле температур прикладывается как тепловая нагрузка в механическом расчете прочности.

Что показал расчёт

Распределение температуры в коллекторе на 100-й секунде: около 500 К у цилиндров, порядка 300 К у фланца

Пластические деформации в коллекторе на 100-й секунде, максимум 0,024 в зоне крепежных отверстий фланца

Максимальная пластическая деформация (0,024) получена в зоне крепежных отверстий фланца, там, где массивный холодный фланец жестко ограничивает тепловое расширение горячей тонкостенной трубы. Это типичная для термомеханики картина: разрушение приходит не туда, где горячее всего, а туда, где расширению больше всего мешают. Такой расчет невозможно заменить обычной статикой с постоянными свойствами материала, здесь важна именно связка теплопередачи и механики, учитывающая, как менялась температура каждой точки детали во времени.