國立交通大學

精密自動化專班有限元素分析

期末報告

排氣管接合法蘭外型分析 The Exhaust Pipe Flange Profile Analying

指導教授：陳 申 岳

學 生：9469527簡昌濬

9469501陳崇文

9420203陳志銘

9469522黃寶鴻

9369523隋增輝

1 版次 1 2 參考文件 1 3 本專案參與成員 1 4 研究動機與目的： 2 5 透過本專案學習的內容目標 3 6 研究流程與方法 3 6.1 本專案執行方式 4 7 標的模型平台描述 6 7.1 標的模型平台實體週邊狀態描述 6 7.2 標的模型平台實體尺寸及規格 6 7.3 標的模型平台實驗室安裝位置 8 8 ANSYS模擬/分析執行步驟 9 8.1 構建模型 9 8.2 模型收斂性分析 14 8.3 螺絲鎖固位置對應力的影響 14 8.4 分析與實驗結果之對照 15

專 案 主 題 版 次 頁 次

排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 1

1 版次

作者 標題 日期 版本 說明

簡昌濬 排氣管接合法蘭外型分析規格書 05/09/2006 1.0

簡昌濬 排氣管接合法蘭外型分析規格書 05/17/2006 2.0

小組成員 排氣管接合法蘭外型模型分析規格/模型分析書 06/20/2006 3.0

表 1-1 版次說明

2 參考文件

作者 標題 日期 版本 說明

陳申岳 ANSYS 有限元素法軟體_實務產品

可靠度分析

康淵、陳信吉 ANSYS入門 2

表 2-1 參考文件

3 本專案參與成員

學號 姓名 E-Mail 工作執掌

9469527 簡昌濬 jian0055@itri.org.tw 1. 專案提出與資料會整，模型建立與分析。

2. 實驗室實實驗。

9469501 陳崇文 ccw@fg.tp.edu.tw 1. 模型建立與分析。

9469522 黃寶鴻 hbh@firdi.org.tw 1. 模型建立與分析。

9420203 陳志銘 jasta@sina.com.tw 1. 模型建立與分析。

9369523 隋增輝 swei@ms5.hinet.net 1. 模型建立與分析。

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 2

4 研究動機與目的： 引擎在開發測試階段，除了引擎本體形狀、活塞大小形狀、衝程長短等等相

關因素決定一顆引擎性能之外，其實排氣管的外型、曲率半徑、管徑，也是跟引

擎的性能有著密不可分的關係。

而現今市售的噴射引擎，除了想達到高性能、高動力輸出、更經濟油耗之外，

更須同時達到低污染的綠色目標，因此要達到綠色目標除了能採用觸媒轉化器之

外更須在控制策略上加入閉迴路控制策略(CLC)，也因此排氣管的外型、管徑、接

合面變相對的顯得更重要。

而目前工作中所遇到的問題為引擎在耐久實驗中，常發現排氣管之 4-2管結

合面之墊片時常破裂，因為該結合面位於O2 Sensor（含氧感知器）前方，因此

O2 Sensor會因為該墊片的破裂，而排氣管中之Pumping效應，而量測出混合比

過稀的錯誤電壓值，而在CLC控制策略中，供油電腦會依照O2 Sensor回授的錯

誤電壓值自動增加噴油脈衝寬度，以彌補O2 Sensor所量出的錯誤資訊，而影響

到引擎耐久污染值之數據資料的蒐集分析，嚴重時更會影響到噴油控制策略調校

的發展進行。因此採用ANSYS分析方式，在ANSYS環境中建立與實體相仿的排

氣管外型，螺樁鎖固的位置與扭力參照實際實驗室要求位置與數據，墊片厚度依

照實驗室要求，排氣管材質則依照實驗室所用材質，但在ANSYS分析軟體中盡可

能選用類似的金屬材質。因此熱傳導係數、熱膨脹量也能固定下來，內部流體的

溫度依照實驗室引擎油門全開、實際運轉 10分鐘後的溫度，管內壓力依循

Sensor量測出的壓力，如此條件之下ANSYS分析出來的狀況當成實驗組，而實

驗室實際運轉後破壞的墊片當成對照組，如此交互參照即可知道ANSYS分析軟體

的準確性。

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5 透過本專案學習的內容目標 依據 ANSYS分析課程，定義本學期計畫執行重點工作，包括：

1. 完成排氣管接合法蘭近似外型分析模型建立。

2. 學習排氣管接合法蘭外型尺寸改變分析能力，達成指標包括：

依原有實驗室排氣管尺寸建立分析模型，並與實驗室實際損壞墊片

進行比對。

依原有實驗室排氣管中 4-2法蘭面尺寸為基準，當鎖定螺孔數目改

變時，其應力分佈改變情況予以歸類討論。

6 研究流程與方法 根據表 6-1輸入之數據輸入材料的基本性質及邊界條件參數後，即進行有限

元素模擬分析。

1. 有限元素法之分析步驟

ANSYS能與多數 CAD軟體介面進行資料共用與交換，如 Pro/Engineer、

NASTRAN、AutoCAD等軟體。ANSYS軟體主要分三個部分：前處理模組，分

析計算模組和後續處理模組，分述如下：

(1)前處理模組：提供強大實體建構與網格劃分工具，可方便建構有限元素模型。

(2)分析計算模組：包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析、高度非線性

分析）、流體動力學分析、電磁場分析、壓電分析以及多物理

場耦合分析。

(3)後續處理模組：可將計算結果以彩色等值線顯示、向量顯示、梯度顯示、粒

子流跡顯示等圖形方式顯現出來。

2. 有限元素分析程序

輸入有限元分析模組

建立元素平衡方程式

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6.1 本專案執行方式

1. 模型建立 >>Exhaust Pipe Flange圖面直接用 ANSYS 繪製

分析模型建立 說明

模型一： 針對 4-2 斷面外型與表6-2 標的模型平台實體尺寸及規格相同。

模型二： A、B、C、D尺寸變更為A=C=98mm、B=D=84mm；其他尺寸與規格相同。

輸出位移場應變場及應力場

計算位移場應變場及應力場

解結構力平衡方程式之節點位移

建立結構力平衡方程式

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模型三： A=C=98mm、B=D=84mm， E=F=49mm 增加為 6個螺絲孔，其他尺寸與規格相同。

模型四： 針對 2-1 法蘭接觸面，進行分析，斷面外型與表 6-2 標的模型平台實體尺寸及

規格相同。

2. 輸入邊界值作為計算時的依據 >>輸入排器溫度。

>>輸入排氣壓力。

>>輸入螺絲上緊扭力。

>>輸入墊片厚度。

3. 實驗室安裝測試。 >> 排氣管墊片量測。

>> 排氣管固定螺絲扭力上緊與量測。

>> 引擎轉速量測／紀錄。

>> 引擎排器管溫度量測／紀錄。

>> 引擎排氣管反壓量測／紀錄。

>> 引擎測試運轉時間及受測墊片破損時量測／紀錄。

4. 實驗結果與分析結果進行比對 >> 將模型一與實際實驗室實驗出來的結果，相互比較。

>> 將模型二與將模型三比較應力分佈的狀況。

>> 將模型四與實際實驗室實驗出來的結果，相互比較。

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5. 若實際實驗結果與分析結果相差太多時，進行分析誤差原因探討。 6. 重新進行分析。

7 標的模型平台描述

7.1 標的模型平台實體週邊狀態描述

實驗室要求規格/數據 說明 備註

M8 Screw Bolt Torque

25N-m @25℃

Screw Bolt強度等級 10.3級

Exhast Pipe MAP 55~65KPa @6000rpm

Exhaust Pipe Temp 850℃ @Wire Open

墊片 厚度 3mm

表 6-1標的模型週邊狀態描述

7.2 標的模型平台實體尺寸及規格

主排氣管分成上下兩個接合面：4-2法蘭接合面及 2-1法蘭接合面。

4-2法蘭接合面 接合面規格

A=76㎜、B=84㎜、C=77㎜

、D=98㎜、E=38㎜、F=3㎜、

G=10㎜，H=12㎜

法蘭面厚度 10mm

排氣管與螺絲孔平均距離為 15mm

2-1法蘭接合面 接合面規格

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A=56㎜、B=82㎜、C=82㎜

法蘭面厚度 10mm

表 6-2 標的模型平台實體尺寸及規格

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7.3 標的模型平台實驗室安裝位置

實驗室安裝位置圖 說明

4-2 法蘭接合面

2-1法蘭接合面

接合墊片

O2 Sensor

Exhaust Pipe Pressure Gauge

Exhaust Pipe Thermocouple

前端觸媒轉化器

表 6-3 標的模型平台實驗室安裝位置

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8 ANSYS模擬/分析執行步驟

8.1 構建模型

1.針對這個專案，我們將石棉墊片與法蘭的結合作成兩個不同的模型，分別是

四孔系統與六孔的系統，詳圖如下圖所示。

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 10

2.利用 ANSYS分別建構此二個模型。

3.相關數據如下表所示：

材 質 相關數據

Stainless Steel 304 Young’s

Module

195GPa

Stainless Steel Poisson’s Ratio 0.29

Asbestos Young’s Module 14GPa

Asbestos Poisson’s Ratio 0

Pressure on the 12 holes ∅ 400kg/cm2

4.建構的結構/模擬結果如下圖所示：

四孔結構圖 六孔結構圖

四孔結構的 Free Mesh 六孔結構的 Free Mesh

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四孔結構的應力分析Nt/mm2 六孔結構的應力分析Nt/mm2

四孔結構的應變分析 四孔結構的應變分析

四孔結構中石棉片的應力分析 六孔結構中石棉片的應力分析

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四孔結構中石棉片的應變分析 六孔結構中石棉片的應變分析

四孔結構@20等份Mesh

六孔結構@20等份Mesh

20等份四孔結構之 Von Mises stress

20等份六孔結構之 Von Mises stress

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四孔結構@40等份Mesh

六孔結構@40等份Mesh

40等份四孔結構之 Von Mises stress

40等份六孔結構之 Von Mises stress

四孔結構@50等份Mesh

六孔結構@50等份Mesh

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 14

50等份四孔結構之 Von Mises stress

50等份六孔結構之 Von Mises stress

8.2 模型收斂性分析

SEQV

156

158

160

162

164

166

168

170

0 10 20 30 40 50 60

Mesh Refinement

四

六

Mesh Refinement

由上表得知，當改變Mesh等份時可看出六孔模型有較佳的收斂趨勢。

8.3 螺絲鎖固位置對應力的影響

螺絲中心點距邊 12cm 螺絲中心點距邊 15cm

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由應力圖可清楚的看出二者之差異，在距離 15cm情形下應力集中在螺絲和

排氣孔之間，而螺孔中心點和四個邊距離 12cm情形下應力集中在模型的四個

連接邊上。分析其原因，由於本模型的壓力作用於上下四個沈孔處，在距離

15cm情形下其沈孔位置已非常接近排氣孔，由於此處的面積已非常小加上幾

何形狀的變形，故應力會較集中，同理在中心點和四個邊距離 12cm情形下，

雖然看來位於邊及排氣孔的中心間隔，但是因為在四個連接邊處的力無法均勻

的分佈到較大的面積，故產生高應力。

8.4 分析與實驗結果之對照

1.根據ANSYS的分析，四個螺釘孔到排氣孔間的應變與應力皆為最大處，判斷

這些地方應該是石棉墊片最容易破壞的地方。比對實際的試片發現這個結論

是正確的，實際的破壞在這些位置是發生的。如下圖紅圈處即是。

實體物件與模型建立條件相同，兩個法蘭面一邊

固定，另一面不固定

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 16

螺帽力量的施加是透過墊片加注在法蘭面上

實體墊片破壞情形 A與 C區域可看出有明顯的裂紋，已經出現漏氣現象。 B區域已經破裂

紅色區域可看出有明顯的裂紋

A B C

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 17

墊片出現明顯的翹曲

2.另一個破壞處是兩個排氣孔間處，如下圖所示紅圓圈處。這明顯與 ANSYS

分析所得的結果不同，經研究與推測，應該有下列幾個原因：

(1).本次分析主要著重在螺釘孔上的固鎖力上，故分析模型上可以看出螺釘結合

處的石棉板明顯的厚度變薄。其他包含熱應力、振動、管內流體壓力等並未加以

分析。

(2).管內流體壓力可根據伯努利方程式

2 21 1 1 2 2

1 12 2

P V 2gh P V ghρ ρ ρ ρ+ + = + +

得知，流體的流速V愈快時則對管壁所生的壓力愈小，廢氣的排氣是在汽缸中經

壓縮爆炸後產生，其流速是快的，推論其對管壁的壓力並不大，故初步推論與管

內流體壓力無關。

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排氣管接合法蘭外型分析規格書 2.0 18

(3).我們認為溫度應該是一個非常重要的因素。排氣管內的溫度變化很劇烈，約

在 83oC~263 oC之間，平均溫度約 148.7 oC，且溫度並非平均分佈，故對兩

端的不鏽鋼法蘭及石棉所產生的熱應力及熱變形並非均佈的。在石棉強度遠低於

不鏽鋼的前題下（不鏽鋼Young’s Moduls＝195GPa、石棉是 14GPa），不均

勻變形所生的熱應力會集中在石棉，尤其兩排氣孔緣間距只有 10mm的情形下

更顯脆弱，故由此處破裂。

(4).另一個值得探討的原因是振動。因為這是兩個排氣管，排氣過程原本就會產

生振動。若兩管的振動頻率相近，沒有發生相長性干涉，則石棉受振動影響就較

小；但若兩管排氣產生相長性干涉，則將增加對石棉的破壞能力（振波的破壞能

量與振幅大小的平方成正比），再加上該處尺寸較為細微，故研判將由此處破壞。

3.原設計只用了四個固鎖螺釘，我們特別多加兩個孔做成用六個固鎖螺釘來鎖

定。發現改成用六個螺釘來鎖時，因鎖緊力增加，故最大應力增加約一倍

（0.664E-3/0.327E-3）、最大應變亦增加一倍（13.426/6.035），由此看

來用六個孔並不能達到減少石棉破壞的目的；但可以看到它的好處是固鎖螺釘

孔處量孔的應力、應變分佈較為一致，四孔的模擬結果則很明顯集中在孔邊

緣。如此應可推論使用六孔固鎖對氣密性應有較佳的提升。

4.根據第 2點的說明，兩排氣孔間的邊緣處會斷裂改善方式，在熱、振動等因素

無發排除的前題下，應可配合將兩根排氣管的中心距拉開一點，例如由原本的

48mm改成 52mm，如此兩孔間的石棉材料寬度即可由原來的 10mm變成

14mm，這對石棉的強度應會有幫助。

5.另外亦可以由材料的改良著手。石棉是多孔性材質，強度原本就不是很好，若

能在石棉內部加入添加劑製成複合材料，如甲醛樹脂、金屬絲等，亦應能提高

其耐用度。