乘用车排气净化器频响分析方法

2019-07-09 00:00杨小东李东晗齐冬亮张文文赵宁
计算机辅助工程 2019年1期
关键词:模态振动强度

杨小东 李东晗 齐冬亮 张文文 赵宁

摘要:基于发动机试验和频响分析,以某乘用车排气净化器为例,研究振动强度的评价方法,考虑排气高温对结构强度的影响,选择频响分析的位移和应力作为验证和评价的指标,分析获得的出气法兰峰值加速度与试验结果具有很好的一致性。上、下蚌殼焊缝处为净化器结构的高风险区域,该区域的应力水平是决定净化器结构强度的关键指标。研究结果认为:在分析采用的载荷和温度输入条件下,该净化器结构强度满足可靠性要求。

关键词:排气净化器;振动;强度;频响;模态;发动机试验

中图分类号:U464.134

文献标志码:B

文章编号:1006-0871(2019)01-0018-04

0 引 言

汽车排气净化器承受高温载荷和剧烈振动,其结构可靠性一直是重要的研究内容。[1-5]自2000年以来,国内学者在排气净化器强度分析方面进行大量的研究和应用。陈东兴等[6]利用Abaqus对常温下排气歧管进行模态分析,得到排气歧管总成的振动频率和固有振型;刘志恩等[7]探讨发动机热负载对排气歧管模态的影响,将高温环境引入到排气歧管的模态分析中。胡国强等[8]和杨超等[9]将模态分析方法成功应用到排气歧管的故障分析中,拓宽模态分析在排气净化器领域的应用范围。

本文在已有研究成果的基础上,考虑外界载荷(高温和振动)对排气净化器结构强度的影响,结合发动机扫频试验数据,研究排气净化器的频响分析方法,通过应力分布确定净化器结构的薄弱区域,认为可以将其作为评价排气净化器结构强度的关键指标。

1 净化器频响分析流程

净化器频响分析实施流程见图1,具体包括发动机试验、传热分析和频响分析等。

(1)进行发动机试验,获得加速扫频过程中发动机的排气温度和振动加速度信号,作为后续分析的输入和对标数据。

(2)将发动机试验获得的温度边界作为分析的输入条件,进行有限元建模和传热分析,获得净化器的温度场分布。

(3)输入发动机扫频采集的振动加速度进行频响分析,并对位移分析结果与试验结果进行对标。

(4)对频响分析获得的应力结果进行综合分析,评价净化器结构的耐久性能。

2 试验过程

2.1 发动机扫频试验

在发动机扫频试验过程中,将发动机转速设定为1 000~5 000 r/min,油门开度设置为100%,加速时间设置为100 s,加速度测试位置为发动机缸盖、出气法兰和发动机缸体(近支架处)等。发动机扫频试验布置见图2,发动机缸盖z向振动加速度扫频曲线见图3。由此可知,发动机缸盖的4阶和6阶振动加速度相对较小。由于高阶次(高频率)振动对净化器本体的结构耐久性能影响较小,因此选取发动机2阶振动为净化器频响分析的输入载荷。当发动机转速上升时,发动机本体的2阶振动加速度保持线性上升,发动转速为5 000 r/min时,发动机2

阶振动加速度为3.2g。

2.2 温度测试

对净化器产品进行发动机温度测试,传感器布置见图4。监测发动机排气歧管出口温度,测试转速间隔为100 r/min,发动机转速范围为1 000~6 000 r/min,测试获得发动机加速过程中的排气温度曲线,见图5。由此可以看出,在发动机加速过程中,排气温度线性升高,最高排气温度为820 ℃。

3 频响分析理论

频响分析又称稳态动力学分析,即在周期正弦振荡载荷作用下,计算结构对每一个计算频率的动态响应。频响分析具有稳定、快速和准确等特点,广泛应用于产品结构承受旋转机械载荷、周期载荷的设计分析领域。

根据振动分析理论,排气净化器结构振动与结构本身的固有特性和外在激励载荷相关,其中结构本身的固有特性包括固有频率、振型和阻尼等。多自由度线性系统的振动方程[10-11]为

式中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;X··为加速度向量;X·为速度向量;X为位移向量,R(t)为外在激励载荷向量。

4 分析建模及结果评价

4.1 分析建模

排气净化器包括进气法兰、蚌壳、筒体、出气端盖、出气法兰、支架、隔热罩等结构,各子部件支架采用焊接工艺连接在一起,法兰之间、支架之间采用螺栓连接。

选择Abaqus进行网格划分,生成的网格总数为49 952个,净化器网格模型及关键点标注见图6。

净化器大部分结构(包括蚌壳、隔热罩、管子和支架等)采用四边形壳体单元S4;进、出气法兰采用六面体实体单元C3D8I;发动机为净化器的振源,对测点(图6中TP1、TP2和TP3点)进行固定约束,发动机主体采用刚体单元MPC-BEAM。为方便后续评价分析,对排气净化器的关键区域进行标注,见图6b),其中:A区域为上、下进气蚌壳右侧焊缝,B区域为上、下进气蚌壳左侧焊缝,C区域为支架与筒体焊缝,D区域为支架安装孔。

排气净化器结构采用SUH441不锈钢。该材料具有较好的高温强度和抗氧化性能,其弹性模量随温度的变化曲线见图7,材料屈服应力随温度的变化曲线见图8。随着温度的上升,材料的弹性模量和屈服应力都会明显下降,符合实际情况。材料常温下的弹性模量为201 GPa,在800 ℃时弹性模量下降到85 GPa。

4.2 结果评价

4.2.1 温度结果

将发动机排气温度作为传热分析的输入温度,考虑热对流和热辐射的影响,获得排气净化器的温度分布云图(图9),可以看出:排气歧管表面最高温度为765 ℃,位于进气歧管蚌壳上。传热分析获得的温度场可作为后续频响分析的温度输入,确保分析更贴近实际工况。

净化器各关键区域温度对比见图10,其中:A、B区域温度最高,达到760 ℃以上;C区域温度为543 ℃;D区域为104 ℃。因此,A、B区域对材料的高温强度提出更严格的要求,应重点关注。

4.2.2 位移结果

结合发动机加速度激励和频响分析,获得排气净化器的响应特性。在振动频率为165 Hz、发动机转速为5 000 r/min状态下,排气净化器位移分布云图见图11,出气法兰z向振动加速度的响应曲线见图12。此时:净化器本体未出现明显的共振,出气法兰最大位移为0.075 mm;在发动机转速为5 000 r/min情况下,净化器出气法兰振动加速度的分析结果为4.81g,对应的试验结果为4.66g。

4.2.3 应力结果

利用频响分析获得应力分布结果,对排气净化器结构的振动强度进行分析评价。

在振动频率为165 Hz、发动机转速为5 000 r/min情况下,净化器本体应力响应分布云图见图13。由此可以看出,图6标注的关键区域均表现出明显的应力集中。提取不同转速下的应力响应结果,各个危险点的应力响应曲线见图14。由此可以看出:在发动机工作转速区间,高风险A区域最大应力点的应力为18 MPa,该点的温度为766 ℃,对应的许用应力为25 MPa,满足强度要求;螺栓安装孔附近的最大应力点的应力为23 MPa,该点的温度为104 ℃,对应的许用应力为160 MPa,满足强度要求。由此可以判断,在分析采用的载荷和温度输入条件下,净化器结构满足可靠性要求。

5 结束语

结合试验结果和频响分析,研究高温条件下排气净化器的振动强度,将排气净化器结构分析从定性评价拓展到科学的定量预测,选择频响分析的位移和应力作为验证和评价指标,本文采用的方法可以节约台架试验的频次,具有客观的经济效益。

基于本文的研究结果,下一步的研究方向:一是分析高温热疲劳、热蠕变性能,完善热疲劳失效机制;二是完善热-机疲劳分析方法,研究排气净化器结构热-机疲劳分析方法;三是结合发动机试验和道路耐久测试等用户工况,完善用户工况下排气净化器的耐久寿命预测方法。

参考文献:

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(编辑 武晓英)

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