发动机排气歧管管壁开裂问题优化

摘 要 ：对产生裂纹的发动机蚌壳式排气歧管进行模态分析,得到其应力分布图,找出危险点的应力,从而确定排气歧管发生开裂的原因.并由此给出优化改进的方案,通过对优化方案进行模态分析,验证优化方案的合理性,为实际解决排气歧管断裂问题提供理论基础.

关 键 词 ：排气歧管 断裂 模态分析 优化改进

1.前言

排气歧管是发动机零部件中工作环境是最为恶劣的,其腔内的废气温度在额定转速最高可至1000℃,虽然用于制造排气歧管的材料具有很高的强度和耐热性,但是工作条件恶劣的排气歧管依然有开裂的可能[1][2].目前,汽车使用的排气歧管主要有两种类型,弯管式和蚌壳式,其中,蚌壳式排气歧管是将上下两部分焊接在一起,形似蚌壳而得名,其排气背压较低,所以动力性较好,而且结构简单,易于制造,成本较低,被多数中小排量发动机所选用.

本文结合某款MPV车型,此车型使用具有蚌壳式排气歧管的2.0L发动机,在道路可靠性试验中出现排气歧管开裂的情况.通过对蚌壳式排气歧管建立有限元模型并进行模态分析,找出排气歧管产生裂纹的原因,并由此给出优化方案,新方案实施后经过新一轮的试验验证,问题得以解决.

2.模型建立

Nastran是国际上应用最广泛的CAE工具,大量的制造厂商依靠其分析结果来设计和生产更加安全可靠产品,得到更优化的设计,缩短产品研发周期,其在结构动力学分析中有非常多的技术特点, 具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能[3].本文运用Nastran软件对排气歧管进行建模分析,找出歧管开裂的原因[4],并对优化改进后的方案进行模态分析.

2.1 边界条件

对排气歧管总成进行数模清理和结构简化后建立相应的有限元模型.歧管、蚌壳、包体法兰采用壳单元来模拟,歧管和法兰采用实体单元模拟,螺栓固定处完全约束.对排气歧管总成施加发动机基础激励,载荷大小来自发动机的振动测量信号.

2.2 模态计算

对排气歧管总成进行约束模态分析,结果如表1所示.

歧管实件进行模态测试,结果如表2所示.

算模态与实测模态相吻合,计算模型有效.

3.结果分析

对排气歧管进行振动强度分析,输入载荷的发动机实测振动信号,分析结果如图4所示.可以发现在排气歧管蚌壳焊缝附近、歧管和催化器接触部分存在明显的应力集中,但是由于蚌壳焊缝附近的温度很高,所以该区域的疲劳断裂最先发生,从而导致该处出现断裂现象,分析得出断裂裂纹的危险点即为圆圈区域.

表3列出了排气歧管危险点的实际应力与许用应力,可以看出危险点处的应力水平较高,实际应力最大值达到195MPa,而不锈钢材料的许用应力只有166MPa,所以该处产生了断裂,而且该处离发动机出气口很近温度很高,对断裂起到了明显的加剧作用.

4.结构优化

4.1 优化方案

为了解决排气歧管断裂的问题,对其结构进行优化改进.首先在蚌壳焊缝处添加加强筋,这会大大增强蚌壳承受应力的能力,其次在包体法兰上增加一个支架,对排气歧管总成提供支撑,可对整体模态进行提升.

4.2 优化计算及验证

通过对优化后的排气歧管的模态和应力进行计算,可以验证优化方案的合理性,也会为实际解决排气歧管断裂问题提供理论依据.

优化后排气歧管模态固有频率如表4所示.

优化后排气歧管的各阶次模态均有明显提升,优化后排气歧管最大应力只达到105MPa,远小于不锈钢材料的许用应力166MPa,说明优化方案合理有效.

通过新一轮的道路可靠性验证,整车目顺利完成规定试验里程,该问题得到妥善解决.

5.总结

本文利用Nastran软件对出现裂纹的发动机排气歧管进行模态分析,确定了排气歧管发生断裂的原因是危险点处应力比较集中,实际应力最大值超出了材料的许用应力,且危险点处温度很高.并由此给出优化后的解决方案,对优化方案进行模态分析,结果表明优化后危险点处没有出现应力集中现象,实际应力远远小于材料的许用应力,说明优化方案比较合理.