朱小文,鐘根丁,劉敏,李想
(江鈴汽車(chē)股份有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心,江西 南昌 330001)
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和各主要城市對(duì)于皮卡進(jìn)城限制政策解禁,商用車(chē)尤其皮卡車(chē)型銷(xiāo)量得到迅猛增長(zhǎng),而用戶(hù)對(duì)于皮卡車(chē)型的NVH和耐久可靠性能要求也越來(lái)越高。排氣系統(tǒng)是整車(chē)的重要組成系統(tǒng)部件,其主要由催化器轉(zhuǎn)化器、消聲器、排氣管、吊鉤等零部件構(gòu)成,良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能,優(yōu)異的溫度場(chǎng)性能及耐久性能對(duì)該系統(tǒng)有效降低噪聲、減少排放污染等功能具有基礎(chǔ)性影響,其性能優(yōu)劣直接影響整車(chē)NVH性能[1-4],故研究排氣系統(tǒng)耐久力學(xué)性能指標(biāo)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
本文采用NASTRAN和HyperMesh軟件,對(duì)某商用車(chē)皮卡基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模態(tài)、溫度場(chǎng)和強(qiáng)度分析,多方面校核了排氣系統(tǒng)耐久力學(xué)性能,結(jié)果顯示排氣系統(tǒng)優(yōu)化方案避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速共振頻率,溫度場(chǎng)性能分布均勻,耐久性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。
結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有模態(tài)頻率及振型是分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性基礎(chǔ),通過(guò)模態(tài)分析可確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[5]。 排氣系統(tǒng)的振動(dòng)方程為[5]:
式(1)中,[M]為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;[K]為總剛度矩陣; 為加速度向量;{q}為位移向量。
本文采用Hyperworks和Nastran有限元軟件,對(duì)某商用皮卡車(chē)型排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行建模,網(wǎng)格尺寸大小4mm,模型質(zhì)量分別為42kg和44kg,排氣系統(tǒng)本體材料為Q235,波紋管的動(dòng)靜剛度參數(shù)如表1,排氣系統(tǒng) FEA模型如圖1所示。
圖1 排氣系統(tǒng)FEA模型
表1 波紋管動(dòng)靜剛度
本文首先對(duì)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了模態(tài)分析,提取前四階頻率振型,得到圖2的CAE分析結(jié)果,其中基礎(chǔ)方案一階模態(tài)頻率為289Hz,二階模態(tài)頻率為305Hz,優(yōu)化方案排氣系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率為203Hz,二階模態(tài)頻率為296Hz,該皮卡車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率25Hz,模態(tài)分析結(jié)果顯示避開(kāi)了怠速共振帶,滿(mǎn)足目標(biāo)。
圖2 優(yōu)化方案排氣系統(tǒng)模態(tài)CAE分析結(jié)果
本文對(duì)某商用車(chē)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)和優(yōu)化方案進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)后的主要零部件溫度場(chǎng)分布,得到圖3的溫度場(chǎng)CAE分析結(jié)果,從圖可知,進(jìn)氣端零部件法蘭和催化器殼體溫度較高,其中基礎(chǔ)方案進(jìn)氣法蘭771攝氏度,催化器殼體790攝氏度,焊接支架溫度相對(duì)較低,為340攝氏度,而優(yōu)化方案排氣系統(tǒng)的進(jìn)氣法蘭溫度為758攝氏度,催化器殼體為778攝氏度,焊接支架溫度為320攝氏度,由此得出優(yōu)化方案較基礎(chǔ)方案溫度下降改善效果明顯。
圖3 排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案溫度場(chǎng)分析結(jié)果
本文對(duì)某商用車(chē)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了熱應(yīng)力分析,熱應(yīng)力分析順序?yàn)椋篠tep1在常溫下使用預(yù)緊扭矩將法蘭螺栓和支架螺栓扭緊,Step2為釋放預(yù)緊扭矩,保持螺栓在預(yù)緊狀態(tài),Step3為加載溫度場(chǎng)得到最高排溫下的預(yù)催化溫度分布,計(jì)算出PEEQ1,而Step4為將預(yù)催溫度降到常溫,計(jì)算出PEEQ2,而Step5為再次加載到最高排溫下的預(yù)催溫度,計(jì)算出PEEQ3。
本文按照上述載荷分析步驟,對(duì)某商用車(chē)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了熱應(yīng)力強(qiáng)度分析結(jié)果,如圖4?;A(chǔ)方案催化器殼體PEEQ為1.84%,焊接支架PEEQ為0.64%,而優(yōu)化方案的催化器殼體PEEQ為1.51%,焊接支架PEEQ為0.43%,改善效果明顯。
圖4 排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案熱應(yīng)力分析結(jié)果
本文基于Hyperworks和Nastran軟件,對(duì)某商用皮卡排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了CAE模態(tài)、溫度場(chǎng)和熱應(yīng) 力強(qiáng)度分析,CAE分析結(jié)果表明:
(1)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案CAE模態(tài)分析結(jié)果顯示避開(kāi)了怠速共振帶,滿(mǎn)足目標(biāo);
(2)排氣系統(tǒng)優(yōu)化方案的催化器殼體和焊接支架溫度較基礎(chǔ)方案得到下降改善;
(3)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)方案催化器殼體PEEQ為1.84%,焊接支架PEEQ為0.64%,而優(yōu)化方案的催化器殼體PEEQ為1.51%,焊接支架PEEQ為0.43%,改善效果明顯。
總體而言,排氣系統(tǒng)CAE驗(yàn)證了其耐久力學(xué)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo),且最終路試通過(guò)。