某型汽車排氣歧管開裂失效及設(shè)計優(yōu)化

王宇同

摘要：本文針對發(fā)生開裂失效的排氣歧管，探討了排氣歧管開裂失效發(fā)生的機理和結(jié)構(gòu)設(shè)計原因，借助現(xiàn)代計算機輔助工程（CAE）技術(shù)，找到了排氣歧管發(fā)生開裂的原因;并在此基礎(chǔ)上重點對排氣歧管優(yōu)化設(shè)計理論和方法進行了研究，特別指出了“支架”在排氣歧管設(shè)計中的重要意義;最后通過發(fā)動機臺架實驗對優(yōu)化后的排氣歧管進行了驗證測試，證實未再有開裂失效現(xiàn)象發(fā)生，排氣歧管開裂問題得到解決，本文排氣歧管優(yōu)化措施和方法有效。

關(guān)鍵詞：排氣歧管;開裂失效;熱應(yīng)力;振動;結(jié)構(gòu)設(shè)計;支架

中圖分類號：U464 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2018）15-0170-02

Abstract： In this paper， aiming at the exhaust manifold with cracking failure， the mechanism and structural design reasons of the exhaust manifold cracking failure are discussed. With the help of modern computer aided engineering （CAE） technology， the causes of the exhaust manifold cracking are found. On this basis， the optimization design theory and method of the exhaust manifold are mainly studied， especially the exhaust divergence of the "bracket" is pointed out. Finally， the engine bench test was carried out to verify the optimized exhaust manifold， which proved that no cracking failure occurred again， and the problem of exhaust manifold cracking was solved. The optimization measures and methods of exhaust manifold in this paper are effective.

Keywords： exhaust manifold; cracking failure; thermal stress; vibration; structural design; bracket

引言：排氣歧管是將發(fā)動機各氣缸排出的廢氣匯集到一起排出車外的重要部件，其工作性能對整個發(fā)動機排氣系統(tǒng)乃至車輛運行效率都有著十分重要的影響。但是由于汽車底盤空間大小的限制，排氣歧管所處的空間位置受汽車內(nèi)部其他零件布局等多方面因素制約，可供其使用的空間往往十分有限，因此排氣歧管常常需要設(shè)計成不規(guī)則且復(fù)雜的形狀，這一狀況加劇了排氣歧管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，大大降低了其疲勞耐久能力，造成開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

筆者在某國內(nèi)排氣歧管生產(chǎn)企業(yè)社會實踐期間，該企業(yè)某車型排氣歧管在使用過程中，多次被發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，同時伴有漏氣發(fā)生，且多個車輛排氣歧管發(fā)生開裂的部位均位于圖1.1所示的同一區(qū)域，影響了車輛的正常運行。

為了尋找上述開裂發(fā)生的原因，排氣歧管生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)人員首先對排氣歧管開裂部位進行了理化檢測，結(jié)果顯示其化學(xué)成分、硬度及顯微組織未發(fā)生明顯變化，均符合技術(shù)指標(biāo)要求，證明材料因素不是引起該排氣歧管開裂的主要原因。進一步觀察該排氣歧管結(jié)構(gòu)，可見其采用半殼型設(shè)計形式，結(jié)構(gòu)十分緊湊，上下半殼通過焊縫連接，焊縫較長，開裂區(qū)域處于類懸臂結(jié)構(gòu)的根部，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計不甚合理，存在一定的缺陷。以下重點從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度對上述排氣歧管開裂問題進行了研究。

1 排氣歧管開裂失效的結(jié)構(gòu)設(shè)計因素

一般情況下，排氣歧管的開裂失效由多種因素如熱負(fù)荷、機械負(fù)荷、材料性能變化等互相影響、耦合導(dǎo)致。結(jié)構(gòu)設(shè)計因素一直以來都是造成排氣歧管開裂失效的最重要的原因。優(yōu)異的排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以提升排氣歧管工作效率，避免開裂失效等的發(fā)生，并且反過來會影響材料的性能表現(xiàn)，因為良好的結(jié)構(gòu)可以有效降低材料表面溫度和平滑度，從而改善材料性能。

作為一個多自由度的振動系統(tǒng)，排氣歧管要承受車輛在行駛過程中路面通過懸架輸入的激勵以及傳動系統(tǒng)沖擊、扭振等振動載荷的作用，特別是當(dāng)車輛處于各種特殊工況下，例如起步、制動或者路面遇到?jīng)_擊時，發(fā)動機及車架會向排氣歧管傳遞更多的沖擊，從而產(chǎn)生很大的振動載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足很容易造成排氣歧管振動開裂失效。

作為一個典型的高度應(yīng)力集中的薄壁結(jié)構(gòu)，排氣歧管是排氣系統(tǒng)中主要的受熱部件，直接承受發(fā)動機燃燒室排放的高溫氣體，特別是現(xiàn)代汽車不斷提升發(fā)動機的工作溫度，使得排氣歧管內(nèi)的溫度往往可高達800～900℃，在高溫和溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱載荷的反復(fù)作用下，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，往往極易形成熱疲勞裂紋，造成排氣歧管熱開裂失效。

該企業(yè)經(jīng)過多年的探索，已經(jīng)具備了成熟的排氣歧管開裂失效的振動分析方法和熱疲勞分析方法，并結(jié)合現(xiàn)代計算機輔助工程（CAE）技術(shù)，分別對上述開裂排氣歧管進行了振動模態(tài)分析和熱應(yīng)力應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)造成該排氣歧管開裂破壞的直接誘因是共振所產(chǎn)生的大位移和應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時在這一過程中，高溫所誘發(fā)的材料熱變形也對排氣歧管的開裂起到了很大的推動作用，因此得出結(jié)論是振動載荷和熱載荷的共同作用造成了排氣歧管的開裂破壞。

2 支架在排氣歧管優(yōu)化設(shè)計中的作用

通過研究發(fā)現(xiàn)，排氣歧管支架在排氣歧管的優(yōu)化設(shè)計中具有十分重要的作用。為了提高整個排氣歧管的振動特性，尤其是提高第一階模態(tài)從而規(guī)避與發(fā)動機共振的發(fā)生，往往要求支架的剛度大一些;而支架設(shè)計的越硬，剛度越大，在排氣歧管受熱膨脹的過程中，就會對排氣歧管產(chǎn)生越多的約束作用，從而造成熱變形受限而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

因此，熱載荷要求較軟的支架，振動載荷要求較硬的支架，處理這一矛盾的關(guān)鍵就是支架位置和剛度的設(shè)計，如何找到兩者的平衡點，使支架對排氣歧管振動有很好的支撐作用，同時又不過多限制其受熱膨脹時的位移和變形，成為排氣歧管優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

本案例排氣歧管支架如圖2.1所示，支架原設(shè)計厚度3mm，為進一步評估支架在整個結(jié)構(gòu)中的支撐作用，分別調(diào)整厚度為2mm和4mm，不同厚度支架熱塑性應(yīng)變和第一階模態(tài)的結(jié)果對比見表2.1?？梢?，支架厚度增加后，剛度增大，提升了排氣歧管的第一階固有頻率。相反地，由于對排氣歧管熱膨脹的限制加劇，造成塑性應(yīng)變增大。

3 排氣歧管優(yōu)化研究

3.1排氣歧管優(yōu)化流程和方法。如前節(jié)所述，支架是排氣歧管優(yōu)化過程中十分關(guān)鍵的因素，同時支架優(yōu)化具有高度的反應(yīng)靈敏性，其輕微的設(shè)計更改就會對整個排氣歧管的表現(xiàn)帶來較大的影響，可以稱之為全局要素。通常在排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，我們首先考慮對支架進行更改，以盡量在較少的設(shè)計更改的情況下達到想要的目標(biāo)結(jié)果。

本例排氣歧管第一階模態(tài)過低，與發(fā)動機發(fā)生共振，因此首先考慮增強支架剛度，將支架厚度由3mm增加至4mm，并在一側(cè)增加翻邊，如圖3.1所示。

同時，考慮到開裂部位曲度較大且有較為明顯的應(yīng)力集中，首先對其進行了平滑改進，增大曲面半徑，使該區(qū)域過渡變得更加流暢，如圖3.2所示。

對上述改進方案再次進行熱應(yīng)力分析和振動分析，發(fā)現(xiàn)排氣歧管的第一階模態(tài)從196Hz提高至215Hz，可見支架剛度的增加的確大大提高了排氣歧管的模態(tài)。但同時，開裂區(qū)域的累積塑性應(yīng)變也從0.81%上升至1.08%，可見支架的增強進一步限制了排氣歧管的熱變形過程，造成熱應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。

為了改變上述現(xiàn)象，如圖3.3所示，本文將排氣歧管從半殼式改為半殼加彎管式。和原結(jié)構(gòu)相比，更改后的設(shè)計可以有效改進原緊耦合半殼式設(shè)計自由度過低的問題，給其更多的膨脹空間，同時大大減少了焊縫的長度，也使排氣歧管自由度增加。

同時，原排氣歧管使用鑄造式厚法蘭，厚度達12mm，雖然可以保證較好的氣密性，但是剛度很大，限制了排氣歧管的變形和移動，因此嘗試將其改成如圖3.4所示的沖壓式薄法蘭。

最終優(yōu)化完成的排氣歧管的結(jié)構(gòu)形式如圖3.5所示。

3.2優(yōu)化后的結(jié)果與分析。對優(yōu)化后的新的排氣歧管再次進行熱應(yīng)力應(yīng)變分析和振動分析，得到優(yōu)化后的排氣歧管最大累積塑性應(yīng)變1.74%，開裂區(qū)域0.14%，最大熱應(yīng)力312MPa，第一階模態(tài)301Hz，最大振動應(yīng)力107MPa，較原設(shè)計均取得了較大的改進。

同時，在發(fā)動機臺架上對新的排氣歧管進行熱沖擊實驗和振動實驗驗證，排氣歧管工作正常，未發(fā)生開裂，證明優(yōu)化后的設(shè)計有效解決了原排氣歧管的開裂失效問題。

4 結(jié)語

從以上排氣歧管開裂失效分析和優(yōu)化過程來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計因素是造成排氣歧管開裂失效的最重要的原因，對于排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)考慮到：

（1）優(yōu)異的排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計是避免開裂失效發(fā)生的關(guān)鍵，排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞影響排氣歧管的性能表現(xiàn)。

（2）排氣歧管支架在排氣歧管的優(yōu)化設(shè)計中具有十分重要的作用，是優(yōu)化設(shè)計的“全局要素”。

（3）支架優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是支架位置和剛度的設(shè)計，使支架對排氣歧管振動有很好的支撐作用，同時又不過多限制其受熱膨脹時的位移和變形。

（4）排氣歧管的設(shè)計優(yōu)化應(yīng)從歧管形式、歧管厚點、焊接情況、法蘭厚度等多個方向綜合進行。

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