《Applied Sciences》：A New Hybrid Fusion Approach Based on Classical Methods (PCA, LBP) and Deep Learning (FaceNet) for Performance Improvement of Face Recognition Methods
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研究人员开发了一个集材料测试、本构拟合、热机械耦合模拟和局部细化分析于一体的研究框架，用于06Cr15Ni25Ti2MoAlVB超级合金螺栓。进行了高温拉伸和蠕变测试，以建立Ramberg–Osgood弹塑性模型和Norton–Bailey蠕变模型。基于CFD
研究人员开发了一个集材料测试、本构拟合、热机械耦合模拟和局部细化分析于一体的研究框架，用于06Cr15Ni25Ti2MoAlVB超级合金螺栓。进行了高温拉伸和蠕变测试，以建立Ramberg–Osgood弹塑性模型和Norton–Bailey蠕变模型。基于CFD（计算流体动力学）导出的热边界条件，构建了一个热机械蠕变耦合有限元模型，用于研究额定工况下螺栓温度、全局应力响应、局部螺纹应力集中和紧固力演化。结果表明，排气歧管最高温度约为885 °C，而螺栓最高温度达到约250 °C。全局模型预测最大螺栓等效应力约为513 MPa，位于初始螺纹接触区域附近。细化螺纹模型揭示了第一啮合螺纹根部存在严重的应力集中，峰值应力约为905 MPa。经过1000小时高温保温和冷却后，螺栓紧固力不可逆地平均下降17.6%，最大下降28.27%。研究结果为高温排气系统中螺栓连接的紧固设计、紧固力保持评估和寿命评估提供了参考。
**论文解读：高温排气歧管螺栓连接的热机械蠕变耦合行为研究**
**研究背景与问题**
随着内燃机向高功率密度、低排放和轻量化方向发展，排气系统的热载荷和结构载荷显著增加。排气歧管作为连接气缸盖与下游排气系统的关键部件，长期承受高温排气冲击、强温度梯度、复杂约束和循环热冲击，其热应力水平、局部变形和疲劳损伤直接影响发动机的可靠性与安全性。现有研究多聚焦于歧管本体，而对连接系统，尤其是高温螺栓连接结构的承载行为关注不足。螺栓在高温服役中不仅需提供装配紧固和载荷传递，还需在热膨胀失配、接触状态变化、局部横向变形和长期高温老化下保持稳定的紧固力和密封性能。此外，螺栓螺纹区域的几何缺口效应导致局部应力高度集中，而传统简化模型无法准确捕捉这一特征。因此，系统研究高温排气歧管螺栓在复杂工况下的热机械蠕变耦合响应及长期紧固力演化，对提升连接结构耐久性具有重要工程意义。
**研究内容与结论**
本研究以柴油机排气歧管连接螺栓为对象，选取06Cr15Ni25Ti2MoAlVB（06Cr）超级合金为材料。首先通过高温拉伸和蠕变试验建立温度相关的弹塑性和蠕变本构模型，进而基于CFD计算获得的热边界条件，构建排气歧管连接系统的热机械蠕变耦合有限元模型，分析实际工况下的螺栓温度分布、应力响应及长期服役行为。进一步通过细化螺纹建模揭示局部应力集中和多轴应力演化，并讨论热膨胀与蠕变松弛共同作用下紧固力的时变演化。主要结论包括：（1）额定工况下排气歧管内壁最高温度约885 °C，螺栓头部最高温度约250 °C，热传递路径为歧管法兰→螺栓衬套→螺栓，温度场呈中间高、两侧低的分布；（2）全局模型预测螺栓最大等效应力约513 MPa，位于与气缸盖初始接触的螺纹位置；细化螺纹模型显示第一啮合螺纹根部峰值应力约905 MPa，远高于全局模型，表明简化模型低估了局部应力集中；（3）螺栓紧固力演化体现热膨胀与蠕变松弛的竞争：热加载后因热膨胀失配使紧固力短期升高，高温保载期间蠕变松弛导致紧固力逐渐下降，经1000小时保载并冷却至室温后，18根螺栓紧固力平均下降17.6%，最大下降28.27%，其中高温螺栓下降更显著；（4）重复加热冷却循环下，总高温保载时间相同时，单次与多次循环的最终紧固力基本一致，说明蠕变时间主导紧固力退化，循环路径影响较小；初始紧固力越大或保载时间越长，紧固力损失绝对值越大。
**关键技术与方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）材料测试与本构拟合：基于高温拉伸试验获得不同温度（20 °C–450 °C）下的弹性模量、屈服强度等参数，并采用Ramberg–Osgood模型拟合弹塑性应力-应变关系；通过蠕变试验（20 °C、400 °C、450 °C，不同应力水平）获得稳态蠕变速率，并基于Norton–Bailey幂律模型拟合蠕变本构参数；（2）CFD计算与热边界映射：使用STAR-CCM+软件对额定工况（1900 r/min）下的排气歧管内部流场进行模拟，获得内壁温度和对流换热系数分布，并映射至有限元模型；（3）热机械蠕变耦合有限元建模：建立包含简化气缸盖、垫片、螺栓、螺栓衬套和排气歧管的三维有限元模型（约120万单元），采用六面体和四面体网格，设置摩擦接触与绑定接触，分两步加载：先施加初始紧固力30 kN，再叠加热载荷并进行1000小时蠕变保载分析；（4）细化螺纹建模：针对全局模型中载荷最高的18号螺栓，建立含真实螺纹几何的局部细化模型（网格尺寸0.1 mm），通过网格收敛性验证，分析螺纹根部的应力集中与多轴应力分布。
**研究结果**
**4.1 排气歧管连接系统温度场分析**
- **4.1.1 CFD模拟结果**：流场计算显示内壁温度与换热系数呈左右对称分布，歧管中部受排气冲击时间较长温度较高，出口侧温度相对较高。
- **4.1.2 温度场结果**：歧管最高温度约885 °C，位于出口侧附近；螺栓温度场呈明显轴向梯度，头部温度最高约250 °C（第三缸附近），底部因与冷却水影响的气缸盖连接温度较低；热传递路径为歧管法兰→螺栓衬套→螺栓。
**4.2 螺栓热机械蠕变耦合应力分析**
全局耦合模型显示，最大等效应力约513 MPa，出现在螺栓与气缸盖初始接触的螺纹起始位置，且各螺栓应力分布模式基本一致，但应力大小因温度差异而不同。
**4.3 细化螺栓模型分析**
- **4.3.1 细化模型建立**：对18号螺栓建立含真实螺纹的局部细化模型，网格尺寸0.1 mm，通过网格收敛性验证。
- **4.3.2 应力分析**：细化模型预测临界区域与全局模型一致（初始啮合螺纹处），但局部峰值应力约905 MPa，显著高于全局模型（513 MPa），表明传统简化模型低估了螺纹根部应力集中；有效承载螺纹约10个，最大应力出现在第一啮合螺纹根部表面，并向内部迅速衰减；对比装配、热加载和1000小时蠕变保载三种状态，热加载后局部峰值应力略增，底部螺纹应力显著上升，蠕变保载后高应力区发生松弛，但底部螺纹载荷比例增加，表明高温和蠕变改变了螺纹区域载荷传递模式。
**4.4 螺栓紧固力演化**
全部18根螺栓在热加载后紧固力均不同程度增加（因热膨胀），随后在高温保载期间因蠕变逐渐下降，冷却后紧固力均低于初始值（30 kN）。经式（8）和（9）计算，平均下降17.6%，最大下降28.27%（8号螺栓，最高温螺栓）；下降幅度前三的螺栓（8、5、11号）均处于高温区域，说明温度越高蠕变松弛越显著；重复加热冷却循环（400 h+300 h+300 h）与单次加热冷却（1000 h）的最终紧固力基本一致（最高温螺栓21,490 N vs 21,520 N，最高应力螺栓27,270 N vs 27,280 N），表明总保载时间主导退化，循环路径影响小；首次循环后紧固力下降最大，后续循环降幅逐渐减小；敏感性分析显示，初始紧固力越大或保载时间越长，紧固力损失绝对值越大。
**总结与结论**
讨论部分指出，当前模型考虑了温度依赖的弹塑性行为和蠕变松弛，但未明确包含微观组织演化动力学或疲劳损伤累积。长期热暴露可能导致06Cr材料沉淀相或微观结构变化，改变力学性能；频繁启停循环可能引入热机械疲劳、循环塑性和蠕变-疲劳交互作用，造成额外不可逆紧固力损失。本研究中重复加热-保载-冷却模拟显示，对于所考察的循环，最终紧固力与相同总保载时间的单次过程接近，表明累积高温保载时间和蠕变松弛主导了紧固力退化，但该结果不能证明疲劳在发动机全寿命周期中可忽略。定量评估长期微观结构演化和疲劳效应需要额外的老化数据、代表性发动机热循环历程和螺栓材料疲劳性能，将在未来工作中研究。
**研究结论**（翻译原文第5部分）：
(1) 在额定工况（1900 r/min）下，排气歧管内壁最高温度约885 °C。热量主要通过歧管法兰和螺栓衬套传递给螺栓。受结构对称性和气流分布影响，螺栓温度场呈中间高、两侧低的分布，第三缸附近螺栓头部最高温度约250 °C。
(2) 全局热机械蠕变耦合模型显示，螺栓临界区域位于与气缸盖接触的初始螺纹位置，最大等效应力约513 MPa。建立细化螺纹模型后，第一啮合螺纹根部出现显著应力集中，局部峰值应力约905 MPa，远高于全局模型结果，表明简化模型无法准确捕捉螺纹根部局部承载状态。
(3) 螺栓紧固力演化反映了热膨胀引起的拉伸与蠕变松弛之间的竞争。热加载下，连接件与螺栓之间的热膨胀失配导致紧固力短期升高。长期高温保载期间，螺栓材料发生蠕变松弛，使紧固力逐渐下降。经1000小时保载并冷却至室温后，所有18根螺栓的紧固力均低于初始值。在不考虑接触面嵌入变形的情况下，由于蠕变效应，紧固力平均下降约17.6%，最大下降约28.27%。
