基于Workbench排氣系統(tǒng)固定支架有限元分析

耿磊，袁志玲，劉正銳，王奉雙

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著排放升級，攪拌車排氣系統(tǒng)中需要使用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)催化消聲器用于處理尾氣中的氮氧化物。SCR催化消聲器往往是直接接在排氣管后面，用支架簡單固定。通常很少對整個系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與靜力結(jié)構(gòu)分析，并且由于攪拌車的工作路況相對比較差，相比其他用途的車型固有頻率較低，排氣后處理系統(tǒng)支架布置不合理很容易導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

圖1 安裝支架斷裂

某公司的幾輛攪拌車后處理系統(tǒng)出現(xiàn)部分支架斷裂如圖1所示。，不確定是否為支架布置設(shè)計問題還是支架質(zhì)量問題。為了避免排氣系統(tǒng)繼續(xù)出現(xiàn)因支架斷裂導(dǎo)致的排氣管開裂、SCR催化消聲器損壞等故障，對攪拌車排氣系統(tǒng)固定支架進(jìn)行有限元分析，查找故障原因。

國內(nèi)外針對排氣系統(tǒng)可靠性的研究有很多，有優(yōu)化固定支架剛度降低車身底板振動[1]；有分析排氣管任一點(diǎn)的振動耦合率研究排氣管布置對可靠性影響[2]；有研究固定支架位置優(yōu)化受力及避開怠速共振[3]等。本文中將結(jié)合現(xiàn)有研究，提出切實(shí)可行的優(yōu)化方案。

圖2 三維模型

1 計算模型

1.1 建立三維模型

根據(jù)某公司提供的具體車型，依據(jù)實(shí)際尺寸通過Creo2.0軟件建立三維模型，如圖2所示。

1.2 建立有限元計算模型

1.2.1 有限元模型

將Creo2.0軟件建立的三維模型導(dǎo)入到Workbench軟件中。設(shè)置各部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)置部件彼此間的運(yùn)動副關(guān)系。

第1支點(diǎn)、第2支點(diǎn)處的扎帶與SCR箱體之間為旋轉(zhuǎn)副，第3支點(diǎn)處扎帶與排氣管之間為旋轉(zhuǎn)副，其余各部件之間的運(yùn)動副關(guān)系為相對固定副。

1.2.2 材料屬性

排氣管和SCR催化消聲器的材料為Q235A，安裝支架材料為16MnL，其它參數(shù)見表1。

表1 零部件材料屬性

1.2.3 網(wǎng)格劃分

SCR催化消聲器、波紋管、排氣管采用二階殼單元，安裝支架采用二階四面體單元。重要零部件如安裝支架平均網(wǎng)格大小為5 mm，非重要零部件如SCR催化消聲器平均網(wǎng)格大小為10 mm?？傆媱澐止?jié)點(diǎn)737 734個，元素366 187個。

2 有限元分析

2.1 模態(tài)分析

按照實(shí)際整車固定的位置即4個固定支架與整車連接處施加固定約束，其余零件不加載約束。如圖3所示。

對整個排氣系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)分析[4-5]，前5階頻率為分別為9、16、21、24、39 Hz。

系統(tǒng)最低階頻率要求不低于10 Hz。系統(tǒng)一階頻率為9 Hz，不滿足設(shè)計要求，如圖4所示。過低的固有頻率容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生共振而損壞。

圖3 三維網(wǎng)格劃分 圖4 系統(tǒng)一階振云圖

2.2 靜力結(jié)構(gòu)分析

按照實(shí)際整車布置的要求對4個支架的頂面施加固定約束，其余位置不加載約束。

根據(jù)公司的設(shè)計規(guī)范，對系統(tǒng)分別加載前后(X)、左右(Y)、上下(Z)3個方向的慣性載荷[6]，大小均為7g(g為重力加速度，m/s2)。排氣系統(tǒng)中的4個支架受力如圖5～7所示(圖中應(yīng)力單位為MPa)。

圖5 前后沖擊工況應(yīng)力分布云圖 圖6 左右沖擊工況應(yīng)力分布云圖

圖7 上下沖擊工況應(yīng)力分布云圖

根據(jù)Workbench軟件分析計算結(jié)果，系統(tǒng)4處安裝支架最大應(yīng)力值出現(xiàn)在受到左右(Y)方向沖擊工況時的第3支點(diǎn)與第4支點(diǎn)處。應(yīng)力值分別為638、562 MPa。均超過材料16MnL 屈服強(qiáng)度極限450 MPa。靜強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求。

由圖1可知，損壞的固定支架為第4處固定支架，分析其應(yīng)力值為562 MPa，超過了該材料的屈服強(qiáng)度極限而導(dǎo)致?lián)p害。與固定支架的質(zhì)量無關(guān)。

3 優(yōu)化

通過對本行業(yè)領(lǐng)域文獻(xiàn)的研究，結(jié)合實(shí)際情況總結(jié)得出合理的懸掛數(shù)量、位置[7-9]以及選擇合適的波紋管[10]，對保障排氣后處理系統(tǒng)的強(qiáng)度和可靠性起到很大的改善作用。下面分別對2種方案進(jìn)行模態(tài)和靜力分析。

3.1 增加安裝支架

根據(jù)設(shè)計分析，排氣系統(tǒng)中的固定支架間距不宜超過0.8 m，通過模型可以看出第2固定支架與第3固定支架間距超過1 m，需要在2、3固定支架之間增加第5固定支架。根據(jù)整車布置要求，選擇遠(yuǎn)離SCR催化器入口端200 mm處增加1固定支架。

圖8 增加安裝支架模態(tài)分析

3.1.1 加支架后模態(tài)分析

增加安裝支架模態(tài)分析見圖8(圖中頻率單位為Hz)。前5階頻率為分別為17、25、33、58、71 Hz。系統(tǒng)最低階頻率大于系統(tǒng)最低要求10 Hz，可避開路面激勵頻率，滿足模態(tài)設(shè)計要求。

3.1.2 靜力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖9 增加安裝支架后左右方向沖擊應(yīng)力分布

根據(jù)計算結(jié)果，系統(tǒng)5處安裝支架最大應(yīng)力值出現(xiàn)在受到左右沖擊工況時的第5支點(diǎn)處。左右方向沖擊應(yīng)力分布如圖9所示(圖中應(yīng)力單位為MPa)。由圖可知：應(yīng)力值為300 MPa。均未超出材料16 MnL屈服強(qiáng)度極限450 MPa。靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

適當(dāng)位置增加固定支架后，整體所有支架的承受應(yīng)力均大幅度降低。但是，過多的使用固定支架又會增加產(chǎn)品額外的成本。合理的固定支架數(shù)量及合適的布置位置，不僅可以滿足整個后排氣系統(tǒng)的強(qiáng)度剛度設(shè)計要求，較低的成本對產(chǎn)品的市場競爭力有非常重要的意義。

3.2 增加波紋管

SCR催化消聲器前增加柔性分離器即波紋管。波紋管會緩沖絕大部分振動，降低發(fā)動機(jī)端及SCR催化消聲器端失效風(fēng)險。

3.2.1 加支架后模態(tài)分析

圖10 增加波紋管模態(tài)

增加波紋管模態(tài)分析如圖10所示(圖中頻率單位為Hz)，由圖可知：前5階頻率分別為18、33、54、61、69 Hz。系統(tǒng)最低階頻率大于系統(tǒng)最低要求10 Hz，可避開路面激勵頻率，滿足模態(tài)設(shè)計要求。

3.2.2靜力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖11 增加波紋管左右方向沖擊應(yīng)力分布

根據(jù)計算結(jié)果，系統(tǒng)4處安裝支架最大應(yīng)力值出現(xiàn)在受到左右沖擊工況時的第1支點(diǎn)處。應(yīng)力值為407 MPa。均未超出材料16Mnl屈服強(qiáng)度極限450 MPa，左右方向沖擊應(yīng)力分布如圖11所示(圖中應(yīng)力單位為MPa),靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

從2種優(yōu)化結(jié)果來看，2種方式均可以提高整個排氣后處理系統(tǒng)的固有頻率。增加支架后低階頻率提高為17 Hz，增加波紋管后低階頻率提高為18 Hz，2者效果比較接近。

2種方案在降低應(yīng)力載荷方面略有不同。增加支架后，固定支架處整體應(yīng)力載荷減低約至200 MPa左右。增加波紋管后固定支架處應(yīng)力載荷降低至300 MPa左右。增加固定支架對降低排氣后處理系統(tǒng)應(yīng)力載荷的幅度比較大。雖然增加波紋管降低幅度較小，但是，波紋管另外一個作用為緩沖發(fā)動機(jī)端的振動，對保護(hù)SCR催化消聲器內(nèi)部催化劑，防止載體破碎有重要意義。

合理的支架布置安裝既可以提高整個系統(tǒng)的低階頻率，也可以大幅度降低各個固定支架的承受應(yīng)力；SCR催化消聲器前端增加波紋管，不僅能夠補(bǔ)償發(fā)動機(jī)與SCR催化消聲器的安裝錯位，有效隔離發(fā)動機(jī)端與SCR催化消聲器端振動的傳遞，而且可以適當(dāng)降低整個排氣后處理系統(tǒng)固定支架的應(yīng)力載荷。

4 結(jié)論

1)排氣后處理系統(tǒng)低階頻率為9 Hz，不滿足設(shè)計要求，易與地面激勵形成共振導(dǎo)致固定支架及整個排氣后處理系統(tǒng)損壞。

2)斷裂處固定支架受應(yīng)力載荷為562 MPa，超出了材料的屈服強(qiáng)度極限而導(dǎo)致?lián)p壞。

3)提出2種解決方案，在SCR催化消聲器前200 mm處增加一個固定支架或者增加一個波紋管。2種方案各有優(yōu)劣，但是均能很好解決排氣后處理系統(tǒng)固定支架斷裂問題。