为了研究排气歧管垫片的密封性能，基于有限元的方法，分析三种工况：全速全负荷、倒拖以及怠速工况的瞬态温度场，基于瞬态循环研究排气歧管垫片的面压变化情况，以及排气歧管螺栓的螺栓力衰减情况。分析结果表明，某汽油机的排气歧管垫片最低面压仍能达到24 MPa，螺栓力最低在 8 kN以上，满足密封性要求。
在发动机运转过程中，排气歧管及螺栓长时间处于高温状态、高低温转换的工作状态下。排气歧管螺栓在初始拧紧后发生弹性变形，获得的预紧力在长时间高温状态下发生蠕变，温度变化后发生塑性变形。总的塑性变形将取代原有的弹性变形，使螺栓产生松弛，最终螺栓预紧力发生衰减，而排气歧管和缸盖的变形会降低垫片局部的面压，导致排气歧管垫片的密封性能下降，严重情况下发生漏气现象。本文基于有限元的方法，模拟组合工况的排气歧管、缸盖以及螺栓的温度变化，并结合温度载荷以及机械载荷计算组合工况的变形、垫片面压分布以及螺栓力的变化情况，结合多个指标对排气歧管垫片面压分布进行分析，判断是否有漏气的风险。
有限元模型
需要考虑各工况下缸盖温度变化的影响，同时为了减少网格数量，分析更关注缸盖排气侧的温度分布，因此模型包括排气侧的半个缸盖、排气门座圈、排气歧管、垫片、排气歧管螺栓及增压器蜗壳等，有限元模型如图1所示。
图1 有限元模型
传热分析
传热分析考虑了瞬态过程，温度循环工况示意如图2所示，一个温度循环共包括三个阶段。首先，加热阶段：工况从怠速工况到全速全负荷工况，共持续155 s。其次，第一阶段冷却：工况由全速全负荷工况变为倒拖工况，共持续130 s。最后，第二阶段冷却：工况从倒拖变为怠速工况，共持续150 s。
图2 温度循环工况示意
为了得到稳定的温度结果，共进行三个循环的分析，其中全速全负荷工况下三个循环的温度分布如图3所示。从结果可以看出，各工况温度分布在第三个循环后基本趋于稳定，主要温度变化的区域为排气歧管与蜗壳法兰处。
温度最高点的温度历程如图4所示。最终稳定循环后全速全负荷工况，最高温度为905 ℃，冷却到倒拖工况后该点温度降低到353 ℃，到怠速工况后，温度最终降低到313 ℃，而稳态分析时，该点怠速工况的温度为231 ℃，与瞬态工况相差82 ℃。
非线性有限元分析
有限元分析时考虑三个循环的瞬态温度载荷以及机械载荷，温度载荷根据上面计算的温度分布加载，而机械载荷主要包括螺栓预紧力以及三个工况下的气体压力，如表1所示。
表1 机械载荷情况
（注：1 bar=0.1 MPa）
结果分析
排气歧管垫片的密封性结果如图5所示，从上到下依次为装配载荷工况、全速全负荷工况、倒拖工况以及怠速工况，装配载荷工况下，垫片的最低面压为102 MPa；全速全负荷工况下，垫片最低面压下降为31 MPa；而到怠速工况时，面压最小，为24 MPa，仍有足够的压力保持密封。各螺栓的编号如图6所示，螺栓预紧力变化情况如图7所示，在初始状态下螺栓预紧力最大，之后随着工况的变化螺栓预紧力随之变化，各螺栓的最大预紧力与最小预紧力如表2所示，可以看出2 #、6 #和7 #螺栓的衰减最大，达到7 kN以上，螺栓力最小能在8 kN之上，可以保持足够的密封性要求。
表2 螺栓力变化情况
图3 全速全负荷工况三个循环温度分布
图4 温度最高点的温度历程
图5 垫片面压分布
图6 各螺栓编号
图7 各螺栓预紧力历程
结论
（1）通过有限元的手段，首先进行瞬态的传热分析，得到模型三个工况下的瞬态温度场，第三个温度循环下，温度值趋于稳定，排气歧管上一点瞬态分析怠速工况下的温度比稳态分析高82 ℃，可见利用瞬态温度场进行分析结果更加准确。
（2）垫片面压在装配载荷工况下的最低压力为102 MPa，温度循环工况后最低压力降低为24 MPa，发生在怠速工况，仍有足够的压力保证密封。
（3）从螺栓力衰减情况可以看出，6 #最大螺栓力衰减达到8 kN，而最小的残余螺栓预紧力达到8 kN以上，可以保持密封。
