某船用发动机排气系统结构优化

张超 袁帅 李艳君 李乃武

摘要：本文利用Hypermesh对某船用发动机排气系统进行前期的网格处理，用Abaqus结构仿真软件对该系统进行热模态计算分析。文中做了两种方案的分析，后者是对前者结构的优化。通过增加支撑点的方式，使该排气系统避开发动机常用转速对应的点火激励频率段，取得了较好的效果，有效的避免了因发动机激励共振引起的故障。

Abstract： In this paper， Hypermesh is used to carry out preliminary grid processing on the exhaust system of the marine engine， and structural simulation software Abaqus is used to carry out thermal modal calculation and analysis on the exhaust system.  Two schemes are analyzed in this paper， and the latter is an optimization of the former.  By increasing the support points， the exhaust system can avoid the ignition excitation frequency section corresponding to the common engine speed， which has achieved good results and effectively avoided the faults caused by engine resonance.

關键词：排气系统;热模态分析;静强度分析

Key words： exhaust system;thermal modal analysis;static strength analysis

中图分类号：U664.81                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0048-03

0  引言

排气系统是发动机上非常重要的系统，它的设计要考虑排气温度、流量等影响因素。本文主要利用Abaqus[1、2]结构仿真软件对某船用发动机排气系统的可靠性进行仿真分析，为排气系统的设计和改进提供指导方向及改进建议[3、4]。

本文通过模态计算分析的方法，针对原方案模态较低提出了改进方案，较大的提高了该排气系统的模态。

1  有限元模型

1.1 排气系统建模

因设计需要将增压器位置较高，排气系统模型如图1所示，各部件材料属性如表1所示，质量属性如表2所示。

对排气管、增压器、垫块等进行网格划分，均采用二阶四面体网格划分，有限元模型如图2所示。

1.2 接触及边界条件

模态计算时，各部件采用TIE连接，空滤采用质点耦合到涡轮端，对质点赋空滤的实际质量，接触定义如图3所示。计算时，固定排气管与机体相连的螺栓孔处六向的自由度，计算边界如图4所示。

2  计算结果分析

2.1 模态计算结果分析

因排气温度较高，对系统模态产生影响，因此计算时考虑排气管温度随温度变化，施加700℃温度场。

对该排气系统进行约束模态计算分析，计算结果如表3所示，一阶振型图如5所示。

该排气系统约束模态一阶频率为79Hz，低于发动机额定转速（1800rpm）下点火激励，存在共振风险，系统一阶模态应提高至108Hz以上。

2.2 静强度计算结果分析

对排气接管进行静强度计算分析，施加最大螺栓预紧力，及六向冲击，单方向15g，计算结果如表4所示，最大Mises应力分布云图6所示。

排气接管在各向冲击下产生的最大Mises应力为69Mpa，高于材料RuT450的700℃屈服强度极限60MPa，强度不满足设计要求。

3  优化设计及校核

3.1 结构优化

根据一阶约束模态振型图，对该排气系统进行结构优化，在增压器排气接管处增加支撑支架，以提高整个系统的模态。优化后结构如图7所示。

3.2 优化后计算结果

利用Abaqus软件对优化后的结构进行热模态计算分析和静强度计算分析。

根据热模态计算结果可以看出该排气系统的前两阶模态均有较高的提升，表明优化后的结构刚度明显提高。模态计算结果如表5所示，一阶约束模态振型图如图8所示。

优化后的结构，排气接管在各向冲击下产生的最大Mises应力为56Mpa，低于材料RuT450的700℃屈服强度极限60MPa，强度满足设计要求，静强度计算结果如表6所示，最大Mises应力分布云图9所示。

4  结论

该机型在排气系统设计阶段，利用Hypermesh和Abaqus对该排气系统进行热模态及静强度分析，根据分析结果对结构进行优化改进，整个系统的刚度及强度均得到改善，避免发动机到市场应用出现故障。

应用结构仿真的方法可以很好地指导设计，缩短开发周期，节约开发成本，有效地控制故障率。

参考文献：

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]许一，吴寒.基于ABAQUS的建模与仿真[J].数字化用户，2013（18）：108-109.

[3]吴永桥，郡奉林.汽车排气总管的静力分析和模态分析[J].武汉汽车工业大学学报，2000，22（1）：10-13.

[4]田育耕，刘江华，王岩松，许振华.汽车排气系统振动模态分析及悬挂点优化[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2009，28（12）：995-998.

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[6]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.