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乘用车排气净化器频响分析方法

发布时间:2019-05-27 11:34所属分类:理工论文浏览:1

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、下蚌壳焊缝处为净化器结

  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、下蚌壳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

汽车工程师

  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

  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1000~5000r/min,油门开度设置为100%,加速时间设置为100s,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。

  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5000r/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。监测发动机排气歧管出口温度,测试转速间隔为100r/min,发动机转速范围为1000~6000r/min,测试获得发动机加速过程中的排气温度曲线。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。

  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49952个。

  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,对测点进行固定约束,发动机主体采用刚体单元MPC-BEAM。,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材料。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201GPa,在800℃时弹性模量下降到85GPa。

  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,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。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165Hz、发动机转速为5000r/min状态下。此时:净化器本体未出现明显的共振,出气法兰最大位移为0.075mm;在发动机转速为5000r/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165Hz、发动机转速为5000r/min情况下,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。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18MPa,该点的温度为766℃,对应的许用应力为25MPa,满足强度要求;螺栓安装孔附近的最大应力点的应力为23MPa,该点的温度为104℃,对应的许用应力为160MPa,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:

  [1]田育耕,刘江华,王岩松,等.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,2009,28(6):995-998.

  [2]陈礼,熊锐,张斌彧.基于HM的汽油发动机曲轴优化分析[J].广东工业大学学报,2011,28(3):73-76.

  [3]欧阳天成,韦齐峰,黄锦成.重型货车车架模态分析与优化设计[J].装备制造技术,2012(4):19-21.

  [4]USANM,DEWECKO,WHITNEVD.Exhaustsystemmanifolddevelopmentenhancementthroughmulti-attributesystemdesignoptimization[C]//CollectionofTechnicalPapers-AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamicsandMaterialsConference,2005.DOI:10.2514/6.2005-2066.

  [5]杨小东,李东晗,齐冬亮,等.乘用车排气系统吊钩位置优化[J].计算机辅助工程,2018,27(3):26-28.DOI:10.13340/j.cae.2018.03.006.

  [6]陈东兴,熊锐,吴坚,等.基于Abaqus的发动机排气歧管总成模态分析[J].广东工业大学学报,2013,30(2):103-106.

  [7]刘志恩,胡雅倩,颜伏伍,等.发动机排气歧管热模态分析及试验研究[J].汽车工程,2015,37(3):359-365.DOI:10.19562/j.chinasae.qcgc.2015.03.019.

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