武光華, 趙彤彤, 陳秀蓮, 梁海明

(1.吉林工程技術(shù)師范學院, 吉林 長春 130052；2.柳州五菱汽車科技有限公司, 廣西 柳州 545000；3.廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530021)

1 引言

隨著人們對綠色制造、節(jié)能減排等意識地不斷增強，對汽車節(jié)能減排技術(shù)的應用提出了更高的要求。發(fā)動機排氣系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分之一，擔負著收集廢氣、凈化排放等任務(wù)，其工作性能又直接影響到發(fā)動機的工作效率、排放性、經(jīng)濟性和可靠性。排氣歧管作為排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其整體結(jié)構(gòu)和性能，則直接關(guān)系到整個排氣系統(tǒng)的工作效率。因此，如何提高排氣系統(tǒng)工作效率，對排氣歧管進行有效的優(yōu)化節(jié)能設(shè)計等一系列問題，是眾多汽車制造企業(yè)綠色工藝創(chuàng)新的重要研究課題之一[1]。因此，本文采用CATIA進行三維建模，ABAQUS進行有限元分析，求解排氣歧管的固有頻率，判斷其是否由于模態(tài)共振而失效故障，最后提出優(yōu)化解決方案，同時也驗證了有限元分析方法可以簡單、全面地分析產(chǎn)品設(shè)計過程中的應力分布，對產(chǎn)品的輕量化設(shè)計、節(jié)能減排設(shè)計是有效和可靠的。

2 發(fā)動機排氣歧管模型建立

本文依據(jù)某四沖程發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件建立三維實體模型。某型HT200灰口鑄鐵發(fā)動機排氣歧管材料基本數(shù)據(jù)見表1，并對各參數(shù)數(shù)據(jù)的量綱進行統(tǒng)一。

表1 HT200灰口鑄鐵基本參數(shù)

將排氣歧管三維模型導入到ABAQUS軟件后，對模型賦予表1中的材料屬性數(shù)據(jù)，并進行有限元網(wǎng)格劃分，其有限元仿真模型如圖1所示。為了后續(xù)更好地對模型整體施加邊界條件，需要保持排氣歧管底部模型為固定。進入載荷模塊，在排氣歧管底部模型上的十個面中分別選取十個參考點，隨后對其進行固定約束，選擇第一個參考點坐標自定義為(0，0，0)，隨后將該點與該面耦合在一起，通過約束管理器可知其耦合參考點為RP-3，其他剩余的幾個參考點和面均如此步驟，最后通過主菜單工具欄中選取“集”從而完成統(tǒng)一約束。上述ABAQUS的相互作用與載荷過程完成后，則需要點擊進入工具欄中的邊界條件管理器，并選取“力學/位移/轉(zhuǎn)角”這一參數(shù)條件，由此來完成對整個排氣歧管模型邊界條件的約束。最后進入分析作業(yè)功能模塊，提交分析、作業(yè)分析完成后，則自動進入后處理模塊，模型約束輪廓圖如圖2所示。

圖1 排氣歧管網(wǎng)格劃分

圖2 排氣歧管約束輪廓圖

3 發(fā)動機排氣歧管模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析本質(zhì)上是基于構(gòu)件或子系統(tǒng)獨特的振動性能來表達構(gòu)件動態(tài)力學特性的一種方法，是最簡單、最根本的動力系統(tǒng)分析，也是其他動力系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)，如瞬態(tài)分析、諧響應分析、響應譜分析和隨機振動物理分析等。共包括實驗模態(tài)綜合分析和計算模態(tài)綜合分析兩部分，在發(fā)動機外激勵振動作用下，所遵守的動平衡振動方程[2]，如式(1)所示。

[M]{x"}+[C]{x'}+[K]{x}={F(t) }

(1)

[x]-位移矢量，[x']-速度矢量，[x"]-加速度矢量，[M]-質(zhì)量矩陣，[C]-阻尼矩陣，[K]-剛度矩陣，[F(t)]-力矢量。

自由振動問題的運動方程，如式(2)所示。

[M]{x"}+[K]{x}={0}

(2)

將正弦函數(shù)x=sin(wt)代入方程(2)后，得到式(3)所示。

([K]—ω^2[m]){x}={0}；

(3)

排氣歧管的每一階振型，都有相應的模態(tài)振動參數(shù)，振型之和可以構(gòu)成模態(tài)振動的總像[3]。對排氣歧管進行模態(tài)分析時，需要將原定義的振動微分方程中的物理坐標通過模態(tài)矩陣轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標，再將方程轉(zhuǎn)化為獨立的方程，最后計算出排氣歧管的模態(tài)參數(shù)，模態(tài)矩陣中的每一列都是排氣歧管的模態(tài)形式。

3.2 HT200材料排氣歧管的模態(tài)分析

通過模態(tài)分析后，變形云紋圖的30個階數(shù)分別對應不同條件下該模型的頻率，如圖3、圖4為排氣歧管前兩階的固有頻率，表3列出了優(yōu)化前HT200灰口鑄鐵材料前十階的模態(tài)頻率。

圖3 HT200材料排氣歧管一階模態(tài)

圖4 HT200材料排氣歧管二階模態(tài)

4 發(fā)動機排氣歧管優(yōu)化

發(fā)動機排氣歧管優(yōu)化可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料改進優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以選用添加加強筋的方法實現(xiàn)[4]，材料優(yōu)化可以采用不同屬性材料實現(xiàn)。本文將排氣歧管材料由HT200灰口鑄鐵材料換成SUS304奧氏體不銹鋼材料，其具體參數(shù)見表2。

表2 SUS304奧氏體不銹鋼基本參數(shù)

將HT200灰口鑄鐵材料更換成SUS304奧氏體不銹鋼材料后，重新進行模態(tài)分析，前兩階模態(tài)分別如圖5、圖6所示。前十階模態(tài)頻率數(shù)值，與舊材料的對比情況，見表3。

圖5 SUS304材料排氣歧管一階模態(tài)圖

圖6 SUS304材料排氣歧管二階模態(tài)

表3 HT200材料與SUS304材料排氣歧管前十階頻率數(shù)值對比(Hz)

5 結(jié)論

本文針對實際工況下，某型四沖程發(fā)動機排氣歧管斷裂失效問題進行了分析研究。結(jié)合發(fā)動機排氣歧管基本參數(shù)及設(shè)計原則要求，運用CATIA軟件先對發(fā)動機排氣歧管進行三維建模，再運用ABAQUS軟件對該模型進行模態(tài)分析，最后得到該發(fā)動機排氣歧管的前十階模態(tài)固有頻率數(shù)值，其中一階模態(tài)固有頻率數(shù)值為97.36Hz，該數(shù)值正處在此四沖程發(fā)動機正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所對應的激勵頻率范圍即23.33～100Hz之間，兩者數(shù)值相似發(fā)生共振，從而導致排氣歧管失效故障。由此提出優(yōu)化方案，將原來的HT200灰口鑄鐵材料更換成SUS304不銹鋼材料，對排氣歧管模型進行模態(tài)對比分析，新材料的排氣歧管的固有頻率提高到106.47Hz，不在該四沖程發(fā)動機激勵頻率范圍內(nèi)，避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。