王友成，張亞洲，陳亮，王英杰，姚巍

（安徽江淮汽車動力研究院，安徽 合肥 230601）

基于Pro/mechanica的某發(fā)動機(jī)三元催化器支架疲勞分析及優(yōu)化

王友成，張亞洲，陳亮，王英杰，姚巍

（安徽江淮汽車動力研究院，安徽 合肥 230601）

介紹了汽車發(fā)動機(jī)上三元催化器支架的重要性，說明了保證支架的疲勞壽命的必要性。針對此支架臺架試驗(yàn)發(fā)生的斷裂問題，利用Pro/mechanica有限元分析對支架進(jìn)行疲勞分析，進(jìn)而提出優(yōu)化建議，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

三元催化器；斷裂；支架；疲勞；優(yōu)化

CLC NO.:U463Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-27-04

引言

某款發(fā)動機(jī)在臺架實(shí)驗(yàn)過程中，三元催化器支架發(fā)生斷裂，如圖1。此支架屬于汽車關(guān)鍵零部件，它聯(lián)接著三元催化器和發(fā)動機(jī)缸體。一旦斷裂，三元催化器將處于自由狀態(tài)，很容易被振動破壞掉，將產(chǎn)生無法預(yù)料的危險。另外在整車上此支架發(fā)生斷裂，更換支架需要先從整車上拆下發(fā)動機(jī)，然后才能拆卸發(fā)動機(jī)外圍件，整個操作費(fèi)事費(fèi)力。因此支架的設(shè)計(jì)可靠性及壽命必須要滿足。

材料的變形與斷裂是受到外力作用時所表現(xiàn)出的力學(xué)行為，常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、剛度以及疲勞性能等。疲勞是結(jié)構(gòu)失效最主要的原因。零件在交變載荷下經(jīng)較長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。

疲勞斷裂屬于低應(yīng)力脆斷，斷裂時的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜載下的抗拉強(qiáng)度，另外斷裂前無論是韌性還是脆性材料均無明顯的塑形變形，是一種無預(yù)兆、突然發(fā)生的脆性斷裂，故而危險性極大[1]。

采用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析在工程應(yīng)用技術(shù)中或大或小都存在誤差，它是一門近似正確的技術(shù)，得出的結(jié)果還要經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證[2]。但疲勞分析的結(jié)果可以找出零件的薄弱結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。

本文應(yīng)用Pro/mechanica對此款三元催化器支架進(jìn)行疲勞特性分析，根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)建議，并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次分析驗(yàn)證。保證理論的疲勞特性后，才進(jìn)行加工制作，然后再進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、Pro/mechanica簡介及疲勞分析流程

Pro/mechanica是pro/engineer軟件的一個CAE模塊?？梢灾苯臃奖愕挠?jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形等特性，模擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的行為。Pro/mechanica與Pro/engineer軟件數(shù)據(jù)共享可以實(shí)現(xiàn)無縫集成，不用擔(dān)心因?yàn)榉治瞿Ｐ偷母袷睫D(zhuǎn)換而造成數(shù)據(jù)丟失，可在單一的環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化計(jì)算工作。缺省情況下，Pro/mechanica以P方法對模型自動劃分網(wǎng)格，P方法能夠比較精確的擬合幾何形狀，這種單元的應(yīng)力變形方程為多項(xiàng)式，最高階次能夠達(dá)到九階，因?yàn)榭梢跃_的擬合大應(yīng)力梯度[3]。

使用Pro/mechanica進(jìn)行疲勞分析一般遵循以下流程：

1）幾何實(shí)體建模。在pro/e中建立分析對象，定義材料參數(shù)、約束條件及載荷。

2）有限元網(wǎng)格劃分。默認(rèn)使用四面體單元對三維模型進(jìn)行劃分，然后檢查網(wǎng)格。

3）計(jì)算分析。在進(jìn)行疲勞分析之前，要先定義靜態(tài)分析，為了獲得有效的疲勞分析結(jié)果，還必須指定模型材料的疲勞特性。

4）結(jié)果顯示。建立分析結(jié)果窗口，以圖形的方式對不同指標(biāo)進(jìn)行查看。

2、支架疲勞分析過程

2.1 有限元模型建立

圖2為支架的安裝圖，由安裝結(jié)構(gòu)可知，支架主要承載著來自三元催化器振動而產(chǎn)生的力，根據(jù)這種工況特點(diǎn)，定義支架的約束為與缸體配合的兩個底孔，載荷來自于與三元催化器安裝的兩個螺栓孔，綜合經(jīng)驗(yàn)值及催化器廠家提供的載荷值，對支架施加兩個方向的載荷，載荷1為1000N，載荷2為2000N，如圖3。

支架材料為壓鑄鋁合金，泊松比為0.31，彈性模量為71GPa，屈服極限為315MPa，極限強(qiáng)度為435 MPa。

2.2 靜態(tài)結(jié)果分析

根據(jù)圖4的靜態(tài)應(yīng)力云圖可以看出，支架的整體應(yīng)力非常小，但底座兩個螺栓孔的位置應(yīng)力奇高，顯然這是應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度，這和發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中，支架從此處斷裂是吻合的。

圖5所示的應(yīng)變圖，最大變形量發(fā)生在與三元催化器連接的兩個螺紋孔位置，最大變形為0.55mm，綜合圖4的應(yīng)力云圖可以知道，支架變形最大的地方，實(shí)際的應(yīng)力并不大。

2.3 疲勞結(jié)果分析

支架疲勞分析采用的是對稱循環(huán)應(yīng)力，恒定振幅，目標(biāo)壽命為107。一般經(jīng)過107次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不會疲勞，所以一般將107規(guī)定為永久壽命[4]。

日志壽命為模型破壞前的預(yù)估周期數(shù)。一般將壽命表示為對數(shù)形式。圖6為支架疲勞日志壽命，可以看出大部分區(qū)域的壽命為1020，但靜態(tài)分析顯示的兩個應(yīng)力集中部位壽命僅為100，顯然必須要改善這兩個應(yīng)力集中區(qū)域。

壽命置信度顯示計(jì)算出的壽命與目標(biāo)設(shè)計(jì)壽命之比，小于1的值表示失效，值大于3通常表示獲得所需目標(biāo)壽命的置信度是足夠的。圖7所示，支架的底部與缸體連接的部分對比其他部位，壽命置信度偏低，因此改進(jìn)設(shè)計(jì)時，應(yīng)對底部進(jìn)行優(yōu)化。

3、支架優(yōu)化建議

本支架為鑄件，設(shè)計(jì)時要考慮鑄件的工藝性，要考慮分型面的選擇問題，保證最大截面，便于起模；為了避免產(chǎn)生縮孔、縮松、冷隔、裂紋等鑄造缺陷，要確保零件的壁厚盡量均勻，壁的連接及交叉處要合理；為了保證鑄件的強(qiáng)度和剛度，并且能減小壁厚，要設(shè)置合適的加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋可以看成是鑄件的壁，其結(jié)構(gòu)也應(yīng)符合壁的連接、交叉原則[5]。

綜合疲勞分析結(jié)果以及鑄件的工藝特點(diǎn)，對現(xiàn)有支架的修改建議如下：

1）修改靜態(tài)分析顯示出的兩個應(yīng)力集中區(qū)域；

2）支架與缸體連接的部分材料厚度要加厚，以改善其壽命置信度；

3）加強(qiáng)筋設(shè)置不當(dāng)，要優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置；

4）適當(dāng)?shù)募哟蟮箞A角保證平滑過渡，避免應(yīng)力集中。

4、優(yōu)化后分析驗(yàn)證

對改進(jìn)后的支架進(jìn)行與前述相同的材料及工況設(shè)置，經(jīng)過靜態(tài)及疲勞分析，分析結(jié)果如下：

由圖8的靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果可以看出，新結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為78.8MPa,遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，并且零件整體應(yīng)力比較均勻，沒有應(yīng)力集中部位。由圖9的靜態(tài)應(yīng)變知改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最大位移為0.32mm，低于改進(jìn)前的0.55mm，最大位移發(fā)生的位置與改進(jìn)前相同。

疲勞分析的結(jié)果顯示，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最低壽命為108，高于理論的永久壽命值107，如圖10所示。從圖11可以清楚看出，新結(jié)構(gòu)的壽命置信度為3，說明獲得所需目標(biāo)壽命的置信度是足夠的。

A fatigue analysis and optimization of engine three-way catalyst bracket based on Pro/mechanica

Wang Youcheng, Zhang Yazhou, WangYingjie, Yao Wei
（Anhui Jianghuai Aotumobile Technical Center Powertrain Academy, Anhui Hefei 230601）

this paper introduces the importance of the bracket on engine three-way catalyst,whose fatigue life must be guranteed. Aimed at the problem of fracture occurred in The engine bench test,fatigue analysis is carried out on the bracket by using the Pro/mechanica finite element analysis, than optimization of the recommendations is put forward, and the optimized structure finite element analysis is carried out again to verify.

three-way catalyst；fracture；bracket；Fatigue；Optimization

U463

A

1671-7988(2014)07-27-04

王友成，就職于安徽江淮汽車動力研究院，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)進(jìn)排氣及正時系統(tǒng)。