某型汽車排氣催化器開裂原因分析

謝文奇

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);流- 固耦合;熱機(jī)械疲勞;等效塑性應(yīng)變增量

0 引言

排氣系統(tǒng)的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，系統(tǒng)長時(shí)間處于高溫高壓的極端環(huán)境下，而且在外部道路條件、高溫廢氣沖擊和發(fā)動機(jī)的激勵(lì)下振動，所以非常容易發(fā)生疲勞開裂。大多數(shù)的疲勞開裂故障發(fā)生在催化轉(zhuǎn)化器和歧管連接部位，開裂的原因非常復(fù)雜，材料性能、加載條件、焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，都會對排氣系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響[1]。

本文對某車型排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，針對其排氣催化器疲勞開裂故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)考慮系統(tǒng)冷熱交替負(fù)荷下的熱疲勞與高溫環(huán)境下材料性能下降的因素。結(jié)合模擬仿真分析和材料的金相檢查，系統(tǒng)闡述了排氣催化器疲勞開裂的原因，并提出改進(jìn)方案，通過CAE 對比分析改進(jìn)有效并完成可靠性驗(yàn)證。

1 問題描述

某車型排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、催化轉(zhuǎn)化裝置、波紋管、副消聲器、主消聲器、尾管以及排氣系統(tǒng)懸掛裝置等組成。其中排氣歧管與催化轉(zhuǎn)化裝置通過10 mm 厚的法蘭盤進(jìn)行連接。這套排氣系統(tǒng)在一次整車耐久路試過程中，當(dāng)進(jìn)行了1.5 萬km 的測試，被發(fā)現(xiàn)有端蓋圓角部位發(fā)生了開裂[2]，具體位置見如圖1所示。通過對斷口處進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口截面較為粗糙，有疲勞紋路，符合疲勞斷裂特征。

失效件斷裂處金相檢查表明（圖2），奧氏體析出數(shù)量較多且尺寸較大的晶粒，呈現(xiàn)大顆粒狀或連續(xù)鏈狀，鐵素體和珠光體相應(yīng)的減少。初步分析為圓角處高溫下材料性能下降，在應(yīng)力集中作用加上冷熱交替變形后的疲勞失效[3]。

2 改進(jìn)方案

因故障為結(jié)構(gòu)與材料綜合的結(jié)果，因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)上消除產(chǎn)生應(yīng)變集中的圓角與管路折彎，材料由SUH409L 升級為SUS441。

3 改進(jìn)前后有限元對比分析

3.1 邊界條件

催化器與歧管固定在發(fā)動機(jī)缸蓋上，并通過筒體上的支架固定在發(fā)動機(jī)缸體上，后面連柔性節(jié)（圖3）。發(fā)動機(jī)歧管處排氣溫度為850℃。

3.2 CFD 與溫度分析

CFD 分析用來確定流場與溫度分布，進(jìn)而確定不通位置的材料彈性模量變化。

流場分析的微分方程式如下：

當(dāng)通用變量方程中的各參量φ 、Γ 以及Sφ 取相應(yīng)的不同值時(shí)，式（1）就可以表示為連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動動能方程及湍動耗散率方程。

溫度分析的微分方程式如下：

3.3 溫度場仿真分析結(jié)果

通過流體分析計(jì)算可以得到排氣系統(tǒng)的壁面溫度云圖（圖4）?？梢钥闯雠艢庠谕ㄟ^排氣歧管后，在催化器的進(jìn)氣口錐端（斷裂位置）到達(dá)最高溫度780℃以上。高溫氣體由狹窄的歧管通向催化器，由于截面寬度的變化導(dǎo)致氣體流速發(fā)生變化，使得錐端的溫度持續(xù)升高。而且隔熱罩的包裹使得催化器內(nèi)部散熱較差，也是這部分溫度較高的原因[4]。

3.4 機(jī)械熱疲勞分析計(jì)算

等效塑性應(yīng)變用于評估材料的抗熱疲勞能力，它的物理意義是為了記錄3 個(gè)加熱冷卻循環(huán)后材料的塑性應(yīng)變增量，用ΔPEEQ表示。計(jì)算公式為：

采用HyperWorks 軟件對排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格離散后導(dǎo)入abaqus 軟件，設(shè)置溫度加載步驟并賦予材料屬性（表1）。材料屬性是隨溫度變化的非線性曲線。

分析結(jié)果如圖5，端蓋圓角處的值大于其他區(qū)域，而原方案在端蓋圓角處的ΔPEEQ 大于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)值1%，改進(jìn)后的值小于1%，改進(jìn)有效（表2）。

4 試驗(yàn)

改進(jìn)前后的催化器通過發(fā)動機(jī)臺架與路試做等條件對比試驗(yàn)，結(jié)果證明改進(jìn)前未完成試驗(yàn)就失效，改進(jìn)后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)有效（表3）。

5 結(jié)束語

通過以某款車的排氣系統(tǒng)作為研究對象，由于其在路試過程中發(fā)生催化器端蓋斷裂，分別對其進(jìn)行了材料金相分析和有限元仿真分析，得出結(jié)論如下。

（1）高溫導(dǎo)致材料內(nèi)部晶粒發(fā)生了變化，大量的奧氏體析出，使得材料變得又硬又脆。因此應(yīng)該更換耐高溫材料，或者取消催化轉(zhuǎn)化器的外部隔熱棉，使得熱量散發(fā)有效降低構(gòu)件溫度，從而提高構(gòu)件疲勞壽命。

（2）由熱疲勞強(qiáng)度分析可知，斷裂位置的第三輪等效塑性應(yīng)變增量ΔPEEQ 明顯大于1%，使得零件有熱疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，這與斷裂的部位相吻合。危險(xiǎn)部位發(fā)生在催化器進(jìn)氣口錐端，有必要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。溫度載荷的重要性不言而喻，設(shè)計(jì)的零件必須考慮高溫耐久性。

（3）由于本文分析模型的簡化以及材料屬性非線性的影響，熱疲勞壽命與實(shí)際有一定的差距，但是通過分析能夠有效預(yù)防此類斷裂的再次發(fā)生。針對本篇文章中催化器的斷裂部位采取措施，如更換耐高溫的材料，設(shè)計(jì)蚌殼結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣口錐端，以及對一些部位進(jìn)行加固處理，可以提高疲勞壽命，有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成本。