汽車(chē)排氣系統(tǒng)金屬波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞壽命的靈敏度分析

崔高健，王均，李紹松，關(guān)晉松

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引言

汽車(chē)排氣系統(tǒng)金屬波紋管是位于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與排氣系統(tǒng)之間的柔性金屬連接管，是排氣系統(tǒng)中良好的密封元件、連接元件及位移補(bǔ)償元件。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)自身運(yùn)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的擺動(dòng)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于固定在車(chē)身上的排氣系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)位移[1]，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給排氣系統(tǒng)金屬波紋管。疲勞失效是汽車(chē)金屬波紋管的主要失效形式，可以通過(guò)實(shí)車(chē)或臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行波紋管的疲勞壽命測(cè)試，但耗時(shí)周期長(zhǎng)，且成本較高。隨著計(jì)算機(jī)及軟件快速發(fā)展，CAE分析已經(jīng)成為疲勞壽命分析的重要手段。文中通過(guò)金屬波紋管在一定位移載荷下的有限元分析，獲得金屬波紋管的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)合正交試驗(yàn)方法確定影響金屬波紋管力學(xué)性能的主要因素，為金屬波紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 金屬波紋管有限元模型建立

金屬波紋管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有內(nèi)徑、波高、波距、波數(shù)、波徑、壁厚等。對(duì)于某款具體車(chē)型而言，給定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管管徑及排氣歧管到排氣系統(tǒng)的距離，可以確定金屬波紋管的內(nèi)徑和波數(shù)。因此，文中將重點(diǎn)分析波紋管壁厚、波高、波徑、波距4個(gè)參數(shù)對(duì)波紋管疲勞壽命的敏感性關(guān)系[2]。

采用SolidWorks進(jìn)行金屬波紋管參數(shù)化建模，利用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)定。MSC.Patran具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性分析能力，在MSC.Patran中進(jìn)行應(yīng)力分析和結(jié)果后處理。分析流程如圖1所示，利用SolidWorks參數(shù)化建模后，將其STEP文件導(dǎo)入到HyperMesh中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)定，并導(dǎo)出BDF文件，在MSC.Patran中對(duì)導(dǎo)入的模型設(shè)定邊界條件和位移載荷并對(duì)其進(jìn)行分析[3]。

圖1 金屬波紋管應(yīng)力分析流程

2 金屬波紋管有限元計(jì)算及結(jié)果分析

由于金屬波紋管一端與排氣系統(tǒng)連接，屬于固定端約束；另一端與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管連接，承受著軸向和徑向位移，并伴隨著角度的轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

合作企業(yè)利用波紋管路譜采集設(shè)備采集波紋管的道路載荷譜，并通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的分析軟件確定某車(chē)型波紋管的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)。以此為依據(jù)設(shè)定金屬波紋管運(yùn)動(dòng)端軸向最大位移為0.385 mm，徑向最大位移為4.543 mm，旋轉(zhuǎn)角度為2.169°，金屬波紋管材料屬性如表1所示。

表1 金屬波紋管材料屬性

金屬波紋管有限元模型建立后，應(yīng)用MSC.Patran進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，得到金屬波紋管的應(yīng)力分布，如圖2所示。

圖2 金屬波紋管應(yīng)力云圖

由圖2可以看出，金屬波紋管應(yīng)力較大部分主要出現(xiàn)在被拉伸一側(cè)，且應(yīng)力最大位置位于金屬波紋管拉伸一側(cè)第三個(gè)波谷處，最大應(yīng)力為164 MPa，此位置為波紋管最易發(fā)生疲勞損壞的區(qū)域。

3 波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞壽命的靈敏度分析

對(duì)于某車(chē)型金屬波紋管，影響其使用性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有壁厚、波高、波徑、波距。對(duì)金屬波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞壽命的靈敏度分析時(shí)，若進(jìn)行全試驗(yàn)設(shè)計(jì)，則需要進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)太多。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能從全面試驗(yàn)中挑選出一些有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于多因素影響分析來(lái)說(shuō)，正交試驗(yàn)是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。文中將設(shè)計(jì)四因素三水平L9(34)的正交試驗(yàn)，以金屬波紋管拉伸區(qū)域最大應(yīng)力位置的損傷程度進(jìn)行靈敏度分析[5]。結(jié)合合作企業(yè)多年來(lái)波紋管產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，確定波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素水平，如表2所示，正交試驗(yàn)及分析結(jié)果如表3所示，正交試驗(yàn)應(yīng)力分析如圖3—5所示。

表2 因素水平表 單位：mm

按照正交試驗(yàn)共進(jìn)行9種不同組合的分析，運(yùn)用正交試驗(yàn)極差分析方法，得到各因素對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)影響大小的排序，確定最合適的因素水平搭配。

根據(jù)每列因素各水平所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值計(jì)算極差R，極差R越大反映該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，稱(chēng)為主要因素，表4給出各結(jié)構(gòu)參數(shù)在同一水平下的均值與各水平因素的極差。

表3 金屬波紋管正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析結(jié)果

圖3 試驗(yàn)號(hào)1—3的正交試驗(yàn)應(yīng)力分析圖

圖4 試驗(yàn)號(hào)4—6的正交試驗(yàn)應(yīng)力分析圖

圖5 試驗(yàn)號(hào)7—9的正交試驗(yàn)應(yīng)力分析圖

表4 金屬波紋管各參數(shù)極差分析 單位：mm

由表4可以看出，壁厚對(duì)疲勞壽命影響最大，是關(guān)鍵因素；波高影響次之，是一般因素；波徑和波距對(duì)應(yīng)力變化影響較小。

對(duì)于壁厚A，當(dāng)壁厚從0.15 mm增加到0.2 mm時(shí)，應(yīng)力下降率為81.2%，當(dāng)壁厚從0.15 mm增加到0.25 mm時(shí)，疲勞壽命下降率為88.1%，從中可以看出壁厚為0.15 mm時(shí)，金屬波紋管疲勞壽命最大；對(duì)于波高B，當(dāng)波高從11 mm增加到12 mm 時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)率為188%，當(dāng)波高從11 mm增加到13 mm時(shí)，疲勞壽命增長(zhǎng)率為306%，從中可以看出波高為13 mm時(shí)，金屬波紋管疲勞壽命最大；對(duì)于波徑C，當(dāng)波徑從1.8 mm增加到2 mm時(shí)，疲勞壽命下降率為16%，當(dāng)波徑從1.8 mm增加到2.2 mm時(shí)，疲勞壽命下降率為75.6%，從中可以看出波徑為1.8 mm時(shí)，金屬波紋管疲勞壽命最大；對(duì)于波距D，當(dāng)波距從6 mm增加到6.4 mm時(shí)，疲勞壽命下降率為59.7%，當(dāng)波距從6 mm增加到6.8 mm時(shí)，疲勞壽命增長(zhǎng)率為20%，從中可以看出波距為6.8 mm時(shí)，金屬波紋管疲勞壽命最大。綜上所述，通過(guò)正交試驗(yàn)計(jì)算法分析所得最佳組合方案為：A1B3C1D1，即壁厚為0.15 mm，波高為13 mm，波徑為1.8 mm，波距為6 mm。從分析過(guò)程可以看出，各結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定范圍內(nèi)，金屬波紋管疲勞壽命隨著壁厚的增加而減小，隨著波高的增加而增大，隨著波徑的增加而減小，隨著波距的增加出現(xiàn)先減小后增大的情況[6]。

4 結(jié)論

波紋管最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在拉伸一側(cè)第三波的波谷處，且應(yīng)力集中主要分布在波谷位置。正交試驗(yàn)組合分析結(jié)果表明，金屬波紋管壁厚對(duì)其疲勞壽命影響最大，波高影響次之，波徑和波距變化對(duì)疲勞壽命影響相對(duì)較小。通過(guò)正交試驗(yàn)計(jì)算分析能夠得到金屬波紋管各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合方案，指導(dǎo)波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。