乘用車排氣凈化器頻響分析方法

楊小東 李東晗 齊冬亮 張文文 趙寧

摘要：基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和頻響分析，以某乘用車排氣凈化器為例，研究振動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，考慮排氣高溫對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，選擇頻響分析的位移和應(yīng)力作為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)的指標(biāo)，分析獲得的出氣法蘭峰值加速度與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。上、下蚌殼焊縫處為凈化器結(jié)構(gòu)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)力水平是決定凈化器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。研究結(jié)果認(rèn)為：在分析采用的載荷和溫度輸入條件下，該凈化器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足可靠性要求。

關(guān)鍵詞：排氣凈化器;振動(dòng);強(qiáng)度;頻響;模態(tài);發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U464.134

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）01-0018-04

0 引 言

汽車排氣凈化器承受高溫載荷和劇烈振動(dòng)，其結(jié)構(gòu)可靠性一直是重要的研究?jī)?nèi)容。[1-5]自2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在排氣凈化器強(qiáng)度分析方面進(jìn)行大量的研究和應(yīng)用。陳東興等[6]利用Abaqus對(duì)常溫下排氣歧管進(jìn)行模態(tài)分析，得到排氣歧管總成的振動(dòng)頻率和固有振型;劉志恩等[7]探討發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)載對(duì)排氣歧管模態(tài)的影響，將高溫環(huán)境引入到排氣歧管的模態(tài)分析中。胡國(guó)強(qiáng)等[8]和楊超等[9]將模態(tài)分析方法成功應(yīng)用到排氣歧管的故障分析中，拓寬模態(tài)分析在排氣凈化器領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，考慮外界載荷（高溫和振動(dòng)）對(duì)排氣凈化器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究排氣凈化器的頻響分析方法，通過(guò)應(yīng)力分布確定凈化器結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，認(rèn)為可以將其作為評(píng)價(jià)排氣凈化器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 凈化器頻響分析流程

凈化器頻響分析實(shí)施流程見(jiàn)圖1，具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、傳熱分析和頻響分析等。

（1）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，獲得加速掃頻過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度和振動(dòng)加速度信號(hào)，作為后續(xù)分析的輸入和對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)獲得的溫度邊界作為分析的輸入條件，進(jìn)行有限元建模和傳熱分析，獲得凈化器的溫度場(chǎng)分布。

（3）輸入發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻采集的振動(dòng)加速度進(jìn)行頻響分析，并對(duì)位移分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

（4）對(duì)頻響分析獲得的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)凈化器結(jié)構(gòu)的耐久性能。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻試驗(yàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻試驗(yàn)過(guò)程中，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000～5 000 r/min，油門(mén)開(kāi)度設(shè)置為100%，加速時(shí)間設(shè)置為100 s，加速度測(cè)試位置為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、出氣法蘭和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（近支架處）等。發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻試驗(yàn)布置見(jiàn)圖2，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋z向振動(dòng)加速度掃頻曲線見(jiàn)圖3。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的4階和6階振動(dòng)加速度相對(duì)較小。由于高階次（高頻率）振動(dòng)對(duì)凈化器本體的結(jié)構(gòu)耐久性能影響較小，因此選取發(fā)動(dòng)機(jī)2階振動(dòng)為凈化器頻響分析的輸入載荷。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體的2階振動(dòng)加速度保持線性上升，發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2

階振動(dòng)加速度為3.2g。

2.2 溫度測(cè)試

對(duì)凈化器產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)試，傳感器布置見(jiàn)圖4。監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管出口溫度，測(cè)試轉(zhuǎn)速間隔為100 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 000～6 000 r/min，測(cè)試獲得發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中的排氣溫度曲線，見(jiàn)圖5。由此可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中，排氣溫度線性升高，最高排氣溫度為820 ℃。

3 頻響分析理論

頻響分析又稱穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，即在周期正弦振蕩載荷作用下，計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。頻響分析具有穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)承受旋轉(zhuǎn)機(jī)械載荷、周期載荷的設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域。

根據(jù)振動(dòng)分析理論，排氣凈化器結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)本身的固有特性和外在激勵(lì)載荷相關(guān)，其中結(jié)構(gòu)本身的固有特性包括固有頻率、振型和阻尼等。多自由度線性系統(tǒng)的振動(dòng)方程[10-11]為

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;X··為加速度向量;X·為速度向量;X為位移向量，R（t）為外在激勵(lì)載荷向量。

4 分析建模及結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 分析建模

排氣凈化器包括進(jìn)氣法蘭、蚌殼、筒體、出氣端蓋、出氣法蘭、支架、隔熱罩等結(jié)構(gòu)，各子部件支架采用焊接工藝連接在一起，法蘭之間、支架之間采用螺栓連接。

選擇Abaqus進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格總數(shù)為49 952個(gè)，凈化器網(wǎng)格模型及關(guān)鍵點(diǎn)標(biāo)注見(jiàn)圖6。

凈化器大部分結(jié)構(gòu)（包括蚌殼、隔熱罩、管子和支架等）采用四邊形殼體單元S4;進(jìn)、出氣法蘭采用六面體實(shí)體單元C3D8I;發(fā)動(dòng)機(jī)為凈化器的振源，對(duì)測(cè)點(diǎn)（圖6中TP1、TP2和TP3點(diǎn)）進(jìn)行固定約束，發(fā)動(dòng)機(jī)主體采用剛體單元MPC-BEAM。為方便后續(xù)評(píng)價(jià)分析，對(duì)排氣凈化器的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，見(jiàn)圖6b），其中：A區(qū)域?yàn)樯?、下進(jìn)氣蚌殼右側(cè)焊縫，B區(qū)域?yàn)樯稀⑾逻M(jìn)氣蚌殼左側(cè)焊縫，C區(qū)域?yàn)橹Ъ芘c筒體焊縫，D區(qū)域?yàn)橹Ъ馨惭b孔。

排氣凈化器結(jié)構(gòu)采用SUH441不銹鋼。該材料具有較好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，其彈性模量隨溫度的變化曲線見(jiàn)圖7，材料屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線見(jiàn)圖8。隨著溫度的上升，材料的彈性模量和屈服應(yīng)力都會(huì)明顯下降，符合實(shí)際情況。材料常溫下的彈性模量為201 GPa，在800 ℃時(shí)彈性模量下降到85 GPa。

4.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

4.2.1 溫度結(jié)果

將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度作為傳熱分析的輸入溫度，考慮熱對(duì)流和熱輻射的影響，獲得排氣凈化器的溫度分布云圖（圖9），可以看出：排氣歧管表面最高溫度為765 ℃，位于進(jìn)氣歧管蚌殼上。傳熱分析獲得的溫度場(chǎng)可作為后續(xù)頻響分析的溫度輸入，確保分析更貼近實(shí)際工況。

凈化器各關(guān)鍵區(qū)域溫度對(duì)比見(jiàn)圖10，其中：A、B區(qū)域溫度最高，達(dá)到760 ℃以上;C區(qū)域溫度為543 ℃;D區(qū)域?yàn)?04 ℃。因此，A、B區(qū)域?qū)Σ牧系母邷貜?qiáng)度提出更嚴(yán)格的要求，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

4.2.2 位移結(jié)果

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)加速度激勵(lì)和頻響分析，獲得排氣凈化器的響應(yīng)特性。在振動(dòng)頻率為165 Hz、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min狀態(tài)下，排氣凈化器位移分布云圖見(jiàn)圖11，出氣法蘭z向振動(dòng)加速度的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖12。此時(shí)：凈化器本體未出現(xiàn)明顯的共振，出氣法蘭最大位移為0.075 mm;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min情況下，凈化器出氣法蘭振動(dòng)加速度的分析結(jié)果為4.81g，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果為4.66g。

4.2.3 應(yīng)力結(jié)果

利用頻響分析獲得應(yīng)力分布結(jié)果，對(duì)排氣凈化器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

在振動(dòng)頻率為165 Hz、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min情況下，凈化器本體應(yīng)力響應(yīng)分布云圖見(jiàn)圖13。由此可以看出，圖6標(biāo)注的關(guān)鍵區(qū)域均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中。提取不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，各個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)曲線見(jiàn)圖14。由此可以看出：在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，高風(fēng)險(xiǎn)A區(qū)域最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力為18 MPa，該點(diǎn)的溫度為766 ℃，對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為25 MPa，滿足強(qiáng)度要求;螺栓安裝孔附近的最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力為23 MPa，該點(diǎn)的溫度為104 ℃，對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為160 MPa，滿足強(qiáng)度要求。由此可以判斷，在分析采用的載荷和溫度輸入條件下，凈化器結(jié)構(gòu)滿足可靠性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和頻響分析，研究高溫條件下排氣凈化器的振動(dòng)強(qiáng)度，將排氣凈化器結(jié)構(gòu)分析從定性評(píng)價(jià)拓展到科學(xué)的定量預(yù)測(cè)，選擇頻響分析的位移和應(yīng)力作為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文采用的方法可以節(jié)約臺(tái)架試驗(yàn)的頻次，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

基于本文的研究結(jié)果，下一步的研究方向：一是分析高溫?zé)崞?、熱蠕變性能，完善熱疲勞失效機(jī)制;二是完善熱-機(jī)疲勞分析方法，研究排氣凈化器結(jié)構(gòu)熱-機(jī)疲勞分析方法;三是結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和道路耐久測(cè)試等用戶工況，完善用戶工況下排氣凈化器的耐久壽命預(yù)測(cè)方法。

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（編輯 武曉英）