某汽油机排气热端有限元分析及优化改进.pdfVIP

某汽油机排气热端有限元分析及优化改进 李相旺，张继明，张志明，张松，王伟民,尹曼莉 (东风汽车公司技术中心，湖北省武汉市，430058) 摘要：某汽油机开发过程中，排气热端在整车八万公里试验中催化剂壳体支架发生开裂，而 在该汽油机搭载的老款车型整车试验过程中没有出现该现象。对比新老款车型排气热端和整 车试验工况并通过仿真计算发现，排气热端一阶模态低于发动机二阶点火激励频率，整车高 环耐久试验时发动机转速区间正好跟排气热端一阶模态对应共振转速重合，焊接支架因共振 而发生开裂。因为开发节点和空间布置原因，在原机型上采用保守方案，即在催化剂壳体支 架和其连接支架螺栓孔连接处焊接减振单元，减小支架应变。在改进机型上对缸体支架重新 进行优化设计，提高整个排气热端一阶模态，使其避开发动机二阶共振转速。试验表明，保 守方案和改进方案均解决了支架开裂问题。通过该问题的分析及解决，积累了排气热端仿真、 设计及试验经验。 关键词：汽油机；排气热端；开裂；模态；减振单元； 中图分类号：U464.1 文献标志码：B 1 引言 排气热端是发动机的重要部件，并且由于工作环境恶劣，在工作过程中承受高温、振动 载荷，也是发动机中容易发生可靠性故障的部件。排气热端失效后将导致发动机不能正常工 作，且维修更换成本高，所以其可靠性非常受关注，国内外各主机厂和研究机构研究也很多。 福特公司的R. M. Hazime[1]通过在排气歧管上选择合适位置布点来测量排气歧管温度，并且 通过仿真计算得出整个排气歧管的温度分布。对比试验和仿真结果来验证仿真模型，进而通 过疲劳分析预测排气歧管失效位置。Cristiana Delprete 和Carlo Rosso[2]则详细讨论了排气 歧管热力耦合分析建模方法，并比较了不同建模方法的精度。Zhang Yan[3] 等人也比较详细 的描述了建模过程并与试验结果进行了比较。 本文通过结合仿真和试验手段，找出了某汽油机试验过程中排气系统热端催化器壳体焊 接支架 （以下简称焊接支架）开裂原因，并针对原机型和改进机型提出了不同的改进方案， 解决了开裂问题，保证了开发节点。因为开发节点和空间布置原因，在原机型上采用保守方 案，即在焊接支架和其连接的缸体连接支架（以下简称缸体支架）螺栓孔连接处焊接减振单 元用以吸收振动能量。在改进机型上对缸体支架重新进行优化设计，提高整个排气热端一阶 模态，使其避开发动机二阶共振转速。通过该问题的解决，对排气热端的失效机理有了深刻 认识，并且积累了相关经验。 2 故障描述及原因分析 某汽油机开发过程中，排气热端焊接支架在整车八万公里耐久试验中发生开裂，如图1， 而在该汽油机搭载的老款车型整车试验过程中没有出现该现象。通过故障树分析，初步认为 排气热端支架失效的可能原因是排气热端一阶模态固有频率过低，在八万公里高环耐久试验 中排气热端与发动机发生二阶共振导致开裂。 图1 催化器支架开裂图片 2.1 热模态及频响分析 为了确认支架失效原因，对新款和老款排气热端进行温度场和模态分析。在对排气热端 进行模态分析时，因为热端整体温度较高，温度对模态影响较大，所以在模态分析之前还需 要进行排气热端温度场分析。排气热端有限元模型如图2，模型包括简化缸盖、进气法兰、 进气管路、催化器壳体、出气端锥、出气尾管、出气法兰、氧传感器底座、隔热罩、焊接支 架，发动机支架、焊缝、隔热罩支架等。除法兰、缸盖和螺栓外，模型采用壳单元划分网格， 总单元数 120000，总节点数130000。温度场分析时，热边界条件的确定是关键，包括高温 气体和歧管内表面间的强迫对流换热，发动机舱空气和歧管外表面的自由对流换热，歧管和 隔热罩间的热辐射，进气法兰和缸盖间的热传导，缸盖螺栓和进气法兰间的热传导等。排气 热端温度场分布如图3 所示。 进气法兰 歧管管件 隔热罩 出气端锥 出气尾管 出气法兰