某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩開(kāi)裂問(wèn)題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜雄雄，郭彥豆

某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩開(kāi)裂問(wèn)題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜雄雄，郭彥豆

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

隨著某汽油機(jī)的技術(shù)升級(jí)，排氣歧管隔熱罩由單層改進(jìn)為雙層中空結(jié)構(gòu)，但在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)隔熱罩的模態(tài)、應(yīng)力分布、斷口及振動(dòng)進(jìn)行分析，其開(kāi)裂的根本原因?yàn)檎駝?dòng)疲勞引起，而解決方法是采用合理布置加強(qiáng)筋的方式提高其局部或整體剛度以減小振動(dòng)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案通過(guò)了通用全球發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)和熱循環(huán)試驗(yàn)。

隔熱罩；振動(dòng)疲勞；剛度；加強(qiáng)筋

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管增加隔熱罩的目的在于降低振動(dòng)噪音和熱輻射，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH性能。目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠普遍采用的有單層鍍鋁鋼板和雙層鍍鋁鋼板中空結(jié)構(gòu)兩種類(lèi)型。因其具有很好的耐高溫性、熱反射性和耐蝕性而廣泛使用。隨著某汽油機(jī)的技術(shù)升級(jí)，單層隔熱罩已不能滿足隔熱要求。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，雙層隔熱罩較單層表面最高溫度降低45℃，平均溫度降低25℃，可見(jiàn)雙層隔熱罩隔熱效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單層隔熱罩。但雙層隔熱罩在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，將針對(duì)失效件的開(kāi)裂原因與失效機(jī)理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，提出具體的改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的隔熱罩進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 失效描述

排氣歧管隔熱罩由單層鍍鋁鋼板改進(jìn)為雙層熱浸鍍鋁鋼板中空結(jié)構(gòu)。整體上將原來(lái)的單層1 mm的鋼板更改為上下層分別為0.5 mm的鋼板，中間層夾有陶瓷纖維紙，上下層通過(guò)5處扣邊進(jìn)行固定（見(jiàn)圖1）。

圖1 某汽油機(jī)的排氣歧管隔熱罩

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)和臺(tái)架熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中不同程度地出現(xiàn)兩處開(kāi)裂，一處位于1號(hào)孔的過(guò)渡圓角處，裂紋從隔熱罩大端邊緣延伸至孔口邊緣（見(jiàn)圖2），一處位于大端加強(qiáng)筋的中部，靠近1號(hào)孔的位置，裂紋從大端邊緣延伸并貫穿橫筋（見(jiàn)圖3）。

圖2 開(kāi)裂位置

圖3 開(kāi)裂位置

2 失效機(jī)理分析

隔熱罩是典型的薄壁結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用過(guò)程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率與隔熱罩的固有頻率一致或相接近時(shí)，隔熱罩將會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)將會(huì)使隔熱罩局部產(chǎn)生更大的應(yīng)變，以致容易產(chǎn)生開(kāi)裂或斷裂。在進(jìn)行失效機(jī)理分析時(shí)，應(yīng)首先考慮是否由共振引起，其次從應(yīng)力、斷口、振動(dòng)等方面進(jìn)行分析。

2.1 模態(tài)分析

在直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于往復(fù)慣性力不能平衡，振動(dòng)和噪音都以2階為最強(qiáng)。所以隔熱罩在設(shè)計(jì)時(shí)其一階模態(tài)要大于發(fā)動(dòng)機(jī)的二階模態(tài)。使用有限元分析軟件Abaqus對(duì)該隔熱罩進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，結(jié)果顯示隔熱罩的一階固有頻率為286 Hz，大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率186 Hz，因此隔熱罩在臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷俚筋~定轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，失效問(wèn)題不是由共振引起。

2.2 應(yīng)力分析

隔熱罩固定安裝在排氣歧管上，長(zhǎng)期受發(fā)動(dòng)機(jī)的熱沖擊而使隔熱罩在熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生熱變形，以及長(zhǎng)時(shí)間受排氣歧管內(nèi)高速氣體的流動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)輻射，因此在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)要綜合考慮在溫度場(chǎng)和振動(dòng)共同作用下的應(yīng)力大小及分布。

經(jīng)實(shí)際測(cè)定隔熱罩在試驗(yàn)臺(tái)架上的最低表面溫度為48℃，最高表面溫度為108℃，因此模擬計(jì)算48℃～108℃的溫度場(chǎng)。在試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)際測(cè)得的隔熱罩的3向最大振動(dòng)加速度：X-20.7g（1號(hào)孔中心與2號(hào)孔中心連線方向），Y-25.8g（根據(jù)左手法則確定方向），Z-24g（垂直隔熱罩大端平面方向），加載到隔熱罩的計(jì)算模型中。計(jì)算結(jié)果顯示在溫度場(chǎng)與振動(dòng)工況的共同作用下，隔熱罩的最大應(yīng)力值為185 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度372 MPa，而出現(xiàn)最大應(yīng)力的地方位于1號(hào)孔的孔口附近（見(jiàn)圖4）。

圖4 優(yōu)化前的應(yīng)力分布

2.3 斷口分析

對(duì)隔熱罩開(kāi)裂位置的斷口進(jìn)行電鏡分析，從主裂紋斷口對(duì)碰磨平而分叉裂紋無(wú)對(duì)碰的情況看，裂紋應(yīng)是逐步開(kāi)裂，前段主裂面經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)振碰而呈坦亮態(tài)，斷口有疲勞紋線及眾多疲勞小臺(tái)階，裂源在邊緣處，屬疲勞開(kāi)裂。宏觀斷口如圖5所示。

圖5 宏觀斷口

2.4 振動(dòng)分析

在工程實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)總會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)響應(yīng)，絕大部分結(jié)構(gòu)的疲勞失效都與振動(dòng)有關(guān)，文獻(xiàn)[4]的作者認(rèn)為：“振動(dòng)疲勞是指結(jié)構(gòu)的疲勞破壞與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)（包括結(jié)構(gòu)固有頻率、交變載荷變化頻率、振動(dòng)輻值、振動(dòng)相位和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)等模態(tài)）密切相關(guān)的失效現(xiàn)象，其破壞機(jī)理與靜態(tài)疲勞破壞一致，它包括低頻振動(dòng)疲勞、共振振動(dòng)疲勞和高頻振動(dòng)疲勞?！闭駝?dòng)疲勞破壞的部位往往是局部振動(dòng)中應(yīng)力大或有應(yīng)力集中的部位，破壞起因于局部振動(dòng)與應(yīng)力集中兩種因素的共同作用。因此，隔熱罩的開(kāi)裂問(wèn)題應(yīng)該歸結(jié)于振動(dòng)疲勞而引起的破壞。

3 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

從減小隔熱罩振動(dòng)的方面考慮，提高隔熱罩的剛度是減小振動(dòng)的有效解決方法。由于高剛度具備更高的固有頻率，而發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)能量是隨著頻率的升高而逐漸降低，因而高剛度設(shè)計(jì)的隔熱罩表面的振動(dòng)位移相對(duì)較低。最簡(jiǎn)單的方法就是增加加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，增加加強(qiáng)筋的目的是材料在沖壓下能得到充分的塑性變形，塑性變形越大，其剛度也越大。所以加強(qiáng)筋的布置是最能直接影響隔熱罩的剛度大小，而合理的加強(qiáng)筋布置是有效提高隔熱罩的剛度，減小隔熱罩的振動(dòng)。

3.1 結(jié)構(gòu)分析

失效隔熱罩大端的1號(hào)孔與2號(hào)孔中心距為214.5 mm（X向），1號(hào)孔與4號(hào)孔的距離為230.6 mm（Y向），其中1號(hào)孔距離其余3個(gè)孔較遠(yuǎn)，X向設(shè)計(jì)有6條加強(qiáng)筋，Y向在大端設(shè)計(jì)有2條加強(qiáng)筋，Y向剛度明顯要小于X向，剛度最小的位置位于1號(hào)孔的附近區(qū)域，而開(kāi)裂位置正好出現(xiàn)在1號(hào)孔的附近區(qū)域且在Y向。

經(jīng)過(guò)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隔熱罩在高轉(zhuǎn)速（4 000 rpm以上）出現(xiàn)振動(dòng)加速度最大的在Y向，且加速度值明顯要大于其它兩個(gè)方向。圖6是隔熱罩各向振動(dòng)加速?gòu)?qiáng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。

圖6 各向振動(dòng)加速度對(duì)比曲線

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)隔熱罩的失效機(jī)理及結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖7，具體分析如下。

圖7 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案

（1）優(yōu)化前的隔熱罩大端相對(duì)比較平坦，從沖壓工藝上來(lái)講，由于平面上的拉應(yīng)力很低，材料得不到充分的塑性變形，甚至有時(shí)只產(chǎn)生彈性變形，這對(duì)增強(qiáng)隔熱罩的剛度十分不利。因此，為保證隔熱罩成形后有足夠的剛度，在隔熱罩大端處增加矩形加強(qiáng)筋，矩形加強(qiáng)筋因要在拉延筋的兩個(gè)圓角處產(chǎn)生彎曲和反彎曲變形，增大了拉延筋以外的板料流動(dòng)阻力，同時(shí)拉延筋以內(nèi)的板料在較大的拉力作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，從而提高隔熱罩的剛度，減少由于變形不足而產(chǎn)生的回彈、收縮、扭曲、起皺等問(wèn)題。

（2）因?yàn)楦魺嵴衷赮向振動(dòng)較大，所以要提高Y向的剛度以減小其振動(dòng)。優(yōu)化前的隔熱罩在Y向有兩處較短的豎筋，并且兩條豎筋延伸至大端面邊緣。優(yōu)化后在Y向增加一條豎筋，三條豎筋與兩條橫筋貫通，三條豎筋沒(méi)有延伸至大端面邊緣。

（3）薄壁件的厚度直接影響其剛度的大小，同時(shí)厚度與剛度之間存在遞增的關(guān)系。從理論上來(lái)說(shuō)，薄壁件的厚度越大，其剛度越大。但是增加厚度受制造成本及工藝水平的限制，而改變薄壁件的局部厚度，即利用加強(qiáng)筋的高度達(dá)到抗彎的效果。

優(yōu)化前隔熱罩1號(hào)孔與2號(hào)孔之間的平面要低于兩孔的安裝平面，兩孔的安裝平面與其它面之間采用過(guò)渡圓角連接并延伸至大端邊緣。優(yōu)化后隔熱罩1號(hào)孔與2號(hào)孔之間的平面與兩孔的安裝平面設(shè)計(jì)在同一個(gè)平面上，并在兩孔周邊凸出兩個(gè)較高的半圓形加強(qiáng)筋，但是兩個(gè)半圓形加強(qiáng)筋沒(méi)有延伸至大端邊緣。

（4）相關(guān)研究表明，加強(qiáng)筋可以阻礙振動(dòng)能量的傳播。對(duì)原有加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)再增加一條平行筋，筋后面的振動(dòng)再次減弱，所加筋起到再次減振的作用。

優(yōu)化前隔熱罩采用5處扣邊以連接上下層，而出現(xiàn)開(kāi)裂的位置均不在扣邊處。在最終優(yōu)化設(shè)計(jì)凍結(jié)之前依舊為5處扣邊，雖然振動(dòng)較之前有很大改善，但臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)依舊有1處裂紋產(chǎn)生，該裂紋較優(yōu)化前出現(xiàn)的裂紋變小很多，結(jié)合斷口分析，裂源在邊緣處，所以優(yōu)化后的隔熱罩四周均增加了較長(zhǎng)的且連續(xù)的扣邊（見(jiàn)圖8）。

圖8 優(yōu)化后方案的扣邊結(jié)構(gòu)

4 CAE分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

CAE分析邊界與2.1節(jié)、2.2節(jié)相同，一階固有頻率292 Hz，大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率186 Hz.在溫度場(chǎng)與振動(dòng)工況的共同作用下，隔熱罩的最大應(yīng)力值為297 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度372 MPa，而出現(xiàn)最大應(yīng)力的地方仍位于1號(hào)孔的孔口周?chē)ㄒ?jiàn)圖9）。

圖9 優(yōu)化后的應(yīng)力分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后方案的可靠性，對(duì)優(yōu)化后的隔熱罩（見(jiàn)圖7）分別進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)和臺(tái)架熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后經(jīng)檢查均未出現(xiàn)開(kāi)裂或斷裂，滿足考核要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于類(lèi)似隔熱罩的薄壁件，其失效模式常為開(kāi)裂或斷裂。經(jīng)過(guò)分析驗(yàn)證，其根本原因?yàn)楦魺嵴值膭偠刃?，振?dòng)大，在受到長(zhǎng)期的交變負(fù)荷和冷熱沖擊下產(chǎn)生疲勞而出現(xiàn)開(kāi)裂。有效解決措施是提高隔熱罩剛度，提升模態(tài)特性，減小振動(dòng)，減少振動(dòng)疲勞的破壞是解決隔熱罩開(kāi)裂問(wèn)題的根本措施。

[1]楊磊，范習(xí)民，高偉，等.基于Abaqus的某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩優(yōu)化分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2013，22（z2）：119-123.

[2]陳彥如，楊紅天，孫小偉，等.汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管隔熱罩開(kāi)裂故障分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2016（2）：59-62.

[3]張磊.發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件結(jié)構(gòu)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[4]劉文光，陳國(guó)平，賀紅林，等.結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞研究綜述[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2012，19（1）：1-8.

[5]陳曉利，盛美萍，王彥琴.多筋板振動(dòng)特性的導(dǎo)納法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2005，25（3）：9-12.

Cracking Analysis and Optimization Design of a Gasoline Engine Exhaust Heat Shield

DU Xiong-xiong，GUO Yan-dou
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

With the technical upgrading of a gasoline engine，the exhaust manifold heat shield is improved to a double layer hollow structure by a single layer，but the cracking phenomenon occurs during the engine bench test. Through the analysis of the modal，stress distribution，fracture and vibration of the heat shield，the root cause of the crack is vibration fatigue.The solution is to use a reasonable arrangement of reinforcement to improve the local or overall stiffness to reduce vibration，the optimized design scheme through the GED（Global Engine Durability）and GETC（Global Engine Thermal Cycle）test bench.

heat shield；vibration fatigue；stiffness；reinforcement

TK413

A

1672-545X（2017）02-0159-03

2016-11-15

杜雄雄（1987-），男，甘肅人，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。