乘用車排氣凈化器頻響分析方法

　　摘要：基于發動機試驗和頻響分析，以某乘用車排氣凈化器為例，研究振動強度的評價方法，考慮排氣高溫對結構強度的影響，選擇頻響分析的位移和應力作為驗證和評價的指標，分析獲得的出氣法蘭峰值加速度與試驗結果具有很好的一致性。上、下蚌殼焊縫處為凈化器結構的高風險區域，該區域的應力水平是決定凈化器結構強度的關鍵指標。研究結果認為：在分析采用的載荷和溫度輸入條件下，該凈化器結構強度滿足可靠性要求。

　　關鍵詞：排氣凈化器;振動;強度;頻響;模態;發動機試驗

　　中圖分類號：U464.134

　　0 引 言

　　汽車排氣凈化器承受高溫載荷和劇烈振動，其結構可靠性一直是重要的研究內容。[1-5]自2000年以來，國內學者在排氣凈化器強度分析方面進行大量的研究和應用。陳東興等[6]利用Abaqus對常溫下排氣歧管進行模態分析，得到排氣歧管總成的振動頻率和固有振型;劉志恩等[7]探討發動機熱負載對排氣歧管模態的影響，將高溫環境引入到排氣歧管的模態分析中。胡國強等[8]和楊超等[9]將模態分析方法成功應用到排氣歧管的故障分析中，拓寬模態分析在排氣凈化器領域的應用范圍。

　　本文在已有研究成果的基礎上，考慮外界載荷(高溫和振動)對排氣凈化器結構強度的影響，結合發動機掃頻試驗數據，研究排氣凈化器的頻響分析方法，通過應力分布確定凈化器結構的薄弱區域，認為可以將其作為評價排氣凈化器結構強度的關鍵指標。

　　1 凈化器頻響分析流程

　　凈化器頻響分析實施流程見圖1，具體包括發動機試驗、傳熱分析和頻響分析等。

　　(1)進行發動機試驗，獲得加速掃頻過程中發動機的排氣溫度和振動加速度信號，作為后續分析的輸入和對標數據。

　　(2)將發動機試驗獲得的溫度邊界作為分析的輸入條件，進行有限元建模和傳熱分析，獲得凈化器的溫度場分布。

　　(3)輸入發動機掃頻采集的振動加速度進行頻響分析，并對位移分析結果與試驗結果進行對標。

　　(4)對頻響分析獲得的應力結果進行綜合分析，評價凈化器結構的耐久性能。

　　2 試驗過程

　　2.1 發動機掃頻試驗

　　在發動機掃頻試驗過程中，將發動機轉速設定為1 000～5 000 r/min，油門開度設置為100%，加速時間設置為100 s，加速度測試位置為發動機缸蓋、出氣法蘭和發動機缸體(近支架處)等。發動機掃頻試驗布置見圖2，發動機缸蓋z向振動加速度掃頻曲線見圖3。由此可知，發動機缸蓋的4階和6階振動加速度相對較小。由于高階次(高頻率)振動對凈化器本體的結構耐久性能影響較小，因此選取發動機2階振動為凈化器頻響分析的輸入載荷。當發動機轉速上升時，發動機本體的2階振動加速度保持線性上升，發動轉速為5 000 r/min時，發動機2

　　階振動加速度為3.2g。

　　2.2 溫度測試

　　對凈化器產品進行發動機溫度測試，傳感器布置見圖4。監測發動機排氣歧管出口溫度，測試轉速間隔為100 r/min，發動機轉速范圍為1 000～6 000 r/min，測試獲得發動機加速過程中的排氣溫度曲線，見圖5。由此可以看出，在發動機加速過程中，排氣溫度線性升高，最高排氣溫度為820 ℃。

　　3 頻響分析理論

　　頻響分析又稱穩態動力學分析，即在周期正弦振蕩載荷作用下，計算結構對每一個計算頻率的動態響應。頻響分析具有穩定、快速和準確等特點，廣泛應用于產品結構承受旋轉機械載荷、周期載荷的設計分析領域。

　　根據振動分析理論，排氣凈化器結構振動與結構本身的固有特性和外在激勵載荷相關，其中結構本身的固有特性包括固有頻率、振型和阻尼等。多自由度線性系統的振動方程[10-11]為

　　式中：M為質量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;X··為加速度向量;X·為速度向量;X為位移向量，R(t)為外在激勵載荷向量。

　　4 分析建模及結果評價

　　4.1 分析建模

　　排氣凈化器包括進氣法蘭、蚌殼、筒體、出氣端蓋、出氣法蘭、支架、隔熱罩等結構，各子部件支架采用焊接工藝連接在一起，法蘭之間、支架之間采用螺栓連接。

　　選擇Abaqus進行網格劃分，生成的網格總數為49 952個，凈化器網格模型及關鍵點標注見圖6。

　　凈化器大部分結構(包括蚌殼、隔熱罩、管子和支架等)采用四邊形殼體單元S4;進、出氣法蘭采用六面體實體單元C3D8I;發動機為凈化器的振源，對測點(圖6中TP1、TP2和TP3點)進行固定約束，發動機主體采用剛體單元MPC-BEAM。為方便后續評價分析，對排氣凈化器的關鍵區域進行標注，見圖6b)，其中：A區域為上、下進氣蚌殼右側焊縫，B區域為上、下進氣蚌殼左側焊縫，C區域為支架與筒體焊縫，D區域為支架安裝孔。

　　排氣凈化器結構采用SUH441不銹鋼。該材料具有較好的高溫強度和抗氧化性能，其彈性模量隨溫度的變化曲線見圖7，材料屈服應力隨溫度的變化曲線見圖8。隨著溫度的上升，材料的彈性模量和屈服應力都會明顯下降，符合實際情況。材料常溫下的彈性模量為201 GPa，在800 ℃時彈性模量下降到85 GPa。

　　4.2 結果評價

　　4.2.1 溫度結果

　　將發動機排氣溫度作為傳熱分析的輸入溫度，考慮熱對流和熱輻射的影響，獲得排氣凈化器的溫度分布云圖(圖9)，可以看出：排氣歧管表面最高溫度為765 ℃，位于進氣歧管蚌殼上。傳熱分析獲得的溫度場可作為后續頻響分析的溫度輸入，確保分析更貼近實際工況。

　　凈化器各關鍵區域溫度對比見圖10，其中：A、B區域溫度最高，達到760 ℃以上;C區域溫度為543 ℃;D區域為104 ℃。因此，A、B區域對材料的高溫強度提出更嚴格的要求，應重點關注。

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