基于綠色制造理念汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管有限元分析

武光華, 趙彤彤, 陳秀蓮, 梁海明

(1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)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(xué)院，廣西 南寧 530021)

1 引言

隨著人們對(duì)綠色制造、節(jié)能減排等意識(shí)地不斷增強(qiáng)，對(duì)汽車節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分之一，擔(dān)負(fù)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(dòng)機(jī)的工作效率、排放性、經(jīng)濟(jì)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(gè)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(duì)排氣歧管進(jìn)行有效的優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)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(jìn)行三維建模，ABAQUS進(jìn)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(shí)也驗(yàn)證了有限元分析方法可以簡(jiǎn)單、全面地分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)力分布，對(duì)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排設(shè)計(jì)是有效和可靠的。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管模型建立

本文依據(jù)某四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件建立三維實(shí)體模型。某型HT200灰口鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管材料基本數(shù)據(jù)見表1，并對(duì)各參數(shù)數(shù)據(jù)的量綱進(jìn)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(dǎo)入到ABAQUS軟件后，對(duì)模型賦予表1中的材料屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(duì)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(jìn)入載荷模塊，在排氣歧管底部模型上的十個(gè)面中分別選取十個(gè)參考點(diǎn)，隨后對(duì)其進(jìn)行固定約束，選擇第一個(gè)參考點(diǎn)坐標(biāo)自定義為(0，0，0)，隨后將該點(diǎn)與該面耦合在一起，通過約束管理器可知其耦合參考點(diǎn)為RP-3，其他剩余的幾個(gè)參考點(diǎn)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(diǎn)擊進(jìn)入工具欄中的邊界條件管理器，并選取“力學(xué)/位移/轉(zhuǎn)角”這一參數(shù)條件，由此來完成對(duì)整個(gè)排氣歧管模型邊界條件的約束。最后進(jìn)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(dòng)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dú)特的振動(dòng)性能來表達(dá)構(gòu)件動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的一種方法，是最簡(jiǎn)單、最根本的動(dòng)力系統(tǒng)分析，也是其他動(dòng)力系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)，如瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動(dòng)物理分析等。共包括實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)綜合分析和計(jì)算模態(tài)綜合分析兩部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)外激勵(lì)振動(dòng)作用下，所遵守的動(dòng)平衡振動(dòng)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(dòng)問題的運(yùn)動(dòng)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(yīng)的模態(tài)振動(dòng)參數(shù)，振型之和可以構(gòu)成模態(tài)振動(dòng)的總像[3]。對(duì)排氣歧管進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需要將原定義的振動(dòng)微分方程中的物理坐標(biāo)通過模態(tài)矩陣轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo)，再將方程轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的方程，最后計(jì)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(gè)階數(shù)分別對(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)排氣歧管優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管優(yōu)化可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料改進(jìn)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以選用添加加強(qiáng)筋的方法實(shí)現(xiàn)[4]，材料優(yōu)化可以采用不同屬性材料實(shí)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(jìn)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(duì)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(duì)比(Hz)

5 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際工況下，某型四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管斷裂失效問題進(jìn)行了分析研究。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管基本參數(shù)及設(shè)計(jì)原則要求，運(yùn)用CATIA軟件先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管進(jìn)行三維建模，再運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)分析，最后得到該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)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(dǎo)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(duì)排氣歧管模型進(jìn)行模態(tài)對(duì)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(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。