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
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:
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