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摘 要： 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
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
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
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1000～5000r/min，油門開度設置為100%，加速時間設置為100s，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5000r/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。監測發動機排氣歧管出口溫度，測試轉速間隔為100r/min，發動機轉速范圍為1000～6000r/min，測試獲得發動機加速過程中的排氣溫度曲線。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。
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49952個。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，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，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201GPa，在800℃時彈性模量下降到85GPa。
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，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。
4.2.2位移結果
結合發動機加速度激勵和頻響分析，獲得排氣凈化器的響應特性。在振動頻率為165Hz、發動機轉速為5000r/min狀態下。此時:凈化器本體未出現明顯的共振，出氣法蘭最大位移為0.075mm;在發動機轉速為5000r/min情況下，凈化器出氣法蘭振動加速度的分析結果為4.81g，對應的試驗結果為4.66g。
5結束語
結合試驗結果和頻響分析，研究高溫條件下排氣凈化器的振動強度，將排氣凈化器結構分析從定性評價拓展到科學的定量預測，選擇頻響分析的位移和應力作為驗證和評價指標，本文采用的方法可以節約臺架試驗的頻次，具有客觀的經濟效益。基于本文的研究結果，下一步的研究方向:一是分析高溫熱疲勞、熱蠕變性能，完善熱疲勞失效機制;二是完善熱-機疲勞分析方法，研究排氣凈化器結構熱-機疲勞分析方法;三是結合發動機試驗和道路耐久測試等用戶工況，完善用戶工況下排氣凈化器的耐久壽命預測方法。
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相關刊物推薦：《計算機輔助工程》Computer Aided Engineering(雙月刊)是上海海事大學主辦的學術性刊物，創刊于1992年，是我國計算機界與工程界的重要學術性刊物之一。
