基于頻率響應(yīng)的商用車排氣管支架失效問題研究

王娜，崔震，王乾勛，孫雪，劉嬌霞，張烈明

浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司汽車研究院 山東日照 276800

隨著社會(huì)的發(fā)展和商用車駕駛員的年輕化趨勢(shì)，對(duì)于商用車的各項(xiàng)性能要求例如駕駛平順性、操縱穩(wěn)定性、振動(dòng)噪聲及智能娛樂等，均朝著乘用車化的方向發(fā)展。作為商用車的基礎(chǔ)性能，可靠性和耐久性仍舊是商用車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。其中，結(jié)構(gòu)件的斷裂問題是耐久性能的一種失效模式，在產(chǎn)品研發(fā)過程中一般需要通過嚴(yán)格的研發(fā)流程控制、虛擬性能仿真驗(yàn)證、臺(tái)架試驗(yàn)及試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)才能確保結(jié)構(gòu)件的耐久性能，以滿足客戶使用要求。

排氣系統(tǒng)是汽車的重要組成部分之一，它的作用是將廢氣排出發(fā)動(dòng)機(jī)，并且使廢氣不進(jìn)入駕駛室，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的噪聲[1-3]。隨著排放法規(guī)的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，尾氣后處理系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)也給商用車帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

由于排氣系統(tǒng)需要延伸到距離發(fā)動(dòng)機(jī)合適的位置，也需要足夠的空間以便于噪聲的控制，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的排氣管支架將排氣系統(tǒng)連接到整車底盤上。例如一端固定在變速器總成上，另一端連接排氣管的支架；一端連接在車架橫梁上，另一端連接排氣管的支架等均屬于排氣管支架。

排氣管支架失效（見圖1）問題是商用車可靠性試驗(yàn)的痛點(diǎn)之一，這是因?yàn)槭紫仍谠O(shè)計(jì)認(rèn)知上，排氣管支架的設(shè)計(jì)一般不會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的流程控制，而簡(jiǎn)單歸結(jié)為一種連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，排氣管支架有可能承受來(lái)自于系統(tǒng)本身的高溫，造成由于溫度梯度的變化而產(chǎn)生失效；再次，整個(gè)排氣系統(tǒng)內(nèi)部氣流的控制如果不合理，還會(huì)由排氣動(dòng)作本身造成的氣體壓力而使支架承受額外的非期望載荷；最后，排氣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，支架的布置位置也需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)能量分布，盡量使支架布置在整體能量較低的節(jié)點(diǎn)上。

圖1 排氣管支架失效

除了設(shè)計(jì)的因素，排氣管支架的失效外部因素為載荷的變化，載荷主要來(lái)自于路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)主要分為怠速激勵(lì)和正常行駛速度下的激勵(lì)，來(lái)自路面的激勵(lì)則是汽車行駛時(shí)通過輪胎傳遞到車架的運(yùn)動(dòng)學(xué)載荷。

頻率響應(yīng)分析是指在頻域上分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，也稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析。由于不考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始條件，頻響分析雖然不能得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)外部載荷時(shí)的瞬間最大真實(shí)值，但可以通過分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在各頻率下穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的幅值及相位。通過研究控制結(jié)構(gòu)對(duì)于外部簡(jiǎn)諧激勵(lì)的響應(yīng)，就可以從設(shè)計(jì)前期評(píng)估結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失效的風(fēng)險(xiǎn)程度，從而避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后期更改帶來(lái)的時(shí)間和成本問題[4]。從計(jì)算方法角度看，頻響分析分為直接法（DFREQ）和模態(tài)法（MFREQ）[5]，應(yīng)用有限元分析軟件可以方便快速地針對(duì)這兩種方法進(jìn)行分析計(jì)算。

針對(duì)某商用車型的排氣管支架出現(xiàn)的斷裂問題，分別從發(fā)動(dòng)機(jī)端激勵(lì)和車架端激勵(lì)兩方面進(jìn)行頻響分析，確定該失效支架對(duì)于兩種激勵(lì)載荷的響應(yīng)度，進(jìn)而研究該支架失效的主要原因。分析使用Hyperworks軟件進(jìn)行計(jì)算求解，采用模態(tài)法進(jìn)行頻響分析。

模態(tài)分析

1.有限元模型建立

為準(zhǔn)確模擬排氣管支架在整車中的振動(dòng)情況，建模時(shí)需要加上整個(gè)車架和排氣后處理系統(tǒng)。車架和排氣后處理系統(tǒng)由鈑金件和鑄件構(gòu)成，鈑金件在建模時(shí)直接抽取中面，鑄件采用1階四面體單元，車架網(wǎng)格尺寸、排氣后處理系統(tǒng)網(wǎng)格尺寸和連接建模均參考企業(yè)建模標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)中的膠塊及波紋管用彈簧單元模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)總成的總質(zhì)量采用質(zhì)量點(diǎn)形式加載。由于后處理系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格劃分時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，舍棄一些特征，最終的模型質(zhì)量要確保和實(shí)物一致。

模態(tài)分析一般分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，這里采用約束模態(tài)分析，能夠更準(zhǔn)確地反映排氣系統(tǒng)在整車中的振型情況。約束車架前后板簧吊耳安裝點(diǎn)位置的X、Y及Z方向移動(dòng)自由度，如圖2所示。

圖2 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析有限元模型

2.分析結(jié)果

將模態(tài)分析結(jié)果中與排氣系統(tǒng)相關(guān)的識(shí)別出來(lái)，結(jié)合振型的描述見表1，模態(tài)云圖如圖3所示。

圖3 排氣系統(tǒng)模態(tài)云圖

表1 模態(tài)結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析的振型及模態(tài)應(yīng)力分布，結(jié)合排氣管支架開裂位置可以初步判斷，支架的失效是由系統(tǒng)前后振動(dòng)引起。排氣系統(tǒng)的前后擺動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)在69Hz以后，其中低于36Hz的模態(tài)基本上為后處理系統(tǒng)局部模態(tài)。

車架端激勵(lì)頻響分析

如前所述，排氣系統(tǒng)的激勵(lì)載荷來(lái)源于兩部分：路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)，為了識(shí)別這兩種激勵(lì)對(duì)排氣系統(tǒng)支架的應(yīng)力響應(yīng)影響，分別進(jìn)行車架端激勵(lì)頻響分析和發(fā)動(dòng)機(jī)端激勵(lì)頻響分析。

考慮路面激勵(lì)導(dǎo)致排氣管支架失效的可能性，在車架端施加激勵(lì)。模型約束車架板簧中心處的X、Y及Z方向移動(dòng)自由度，在車架板簧中心處分別施加X、Y及Z三個(gè)方向的激勵(lì)，激勵(lì)大小為9800mm/s2。考慮輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞的路面激勵(lì)頻率范圍，分析時(shí)激勵(lì)范圍為5～30Hz。

查看分析結(jié)果，輸出排氣管捆帶處頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，100931）和排氣管支架頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，99881）的頻響應(yīng)力曲線。

X方向激勵(lì)時(shí)，頻響應(yīng)力在10.05Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值，峰值出現(xiàn)在排氣管支架開裂位置。查看10.05Hz時(shí)的模態(tài)結(jié)果，振型為后處理系統(tǒng)前后擺動(dòng)，可以判定排氣管支架出現(xiàn)頻響應(yīng)力峰值是由后處理系統(tǒng)的前后擺動(dòng)引起的，峰值應(yīng)力為302MPa。

圖4 車架端X方向激勵(lì)時(shí)排氣管支架頻響應(yīng)力

在頻響分析中，峰值應(yīng)力的大小跟阻尼系數(shù)關(guān)系較大，由于阻尼系數(shù)很難準(zhǔn)確測(cè)量，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給出，也可以根據(jù)分析規(guī)范形成分析經(jīng)驗(yàn)。為了確認(rèn)車架端X方向激勵(lì)時(shí)的系統(tǒng)危險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)輸出消聲器吊架頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，458731）與排氣管支架頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，99881）的頻響應(yīng)力曲線（見圖5）。從結(jié)果中可以看出，在10.05Hz時(shí)消聲器吊架頻響應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排氣管支架頻響應(yīng)力，但是消聲器吊架在實(shí)際可靠性試驗(yàn)中并沒有損壞，故排除排氣管支架開裂是由于車架端X方向激勵(lì)引起。

圖5 車架端X方向激勵(lì)時(shí)消聲器吊架和排氣管支架頻響應(yīng)力

Y方向激勵(lì)時(shí)，頻響應(yīng)力在2.03Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值（見圖6），峰值出現(xiàn)在排氣管捆帶折彎位置。捆帶在實(shí)際可靠性試驗(yàn)中并沒有損壞，故排除排氣管支架開裂是由于車架端Y方向激勵(lì)引起。

圖6 車架端Y方向激勵(lì)時(shí)排氣管支架頻響應(yīng)力

Z方向激勵(lì)時(shí)，頻響應(yīng)力在8.95Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值（見圖7），峰值出現(xiàn)在排氣管捆帶折彎位置。捆帶在實(shí)際可靠性試驗(yàn)中并沒有損壞，故排除排氣管支架開裂是由于車架端Z方向激勵(lì)引起。

通過分析車架端X、Y和Z三個(gè)方向頻響應(yīng)力結(jié)果可知，車架端激勵(lì)不是引起排氣管支架失效的主要原因。

發(fā)動(dòng)機(jī)端頻響分析

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致排氣管支架失效時(shí)，需在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置施加激勵(lì)。模型約束發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置X、Y及Z方向移動(dòng)自由度，在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置施加X、Y及Z三個(gè)方向的激勵(lì)，激勵(lì)大小為9800mm/s2，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，頻響分析中激勵(lì)范圍為25～120Hz。

按照上節(jié)分析結(jié)果查看思路，輸出排氣管捆帶頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，11513）和排氣管支架頻響應(yīng)力最大點(diǎn)（ID，12496）分別在X、Y、Z激勵(lì)方向下的頻響應(yīng)力曲線，如圖8～圖10所示。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)端Y方向激勵(lì)時(shí)排氣管支架頻響應(yīng)力

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)端Z方向激勵(lì)時(shí)排氣管支架頻響應(yīng)力

由頻響應(yīng)力曲線可以看出，X方向激勵(lì)時(shí)，頻響應(yīng)力在69.4Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值，峰值出現(xiàn)在排氣管支架開裂位置，與失效位置吻合；Y和Z方向激勵(lì)時(shí)，頻響應(yīng)力在38.68Hz時(shí)出現(xiàn)最大峰值，峰值出現(xiàn)在排氣管捆帶上。由此可以得出：發(fā)動(dòng)機(jī)X方向激勵(lì)引起的振動(dòng)為排氣管支架失效的主要原因，按照相同的分析方法，可設(shè)計(jì)新的排氣管支架，對(duì)比分析支架的頻響應(yīng)力曲線，可有效避免后期支架的失效問題。

結(jié)論

針對(duì)某商用車排氣管支架失效問題，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析。通過模態(tài)分析得到各系統(tǒng)振型，初步判斷排氣管支架失效原因。進(jìn)而根據(jù)排氣系統(tǒng)中間波紋管軟連接的特點(diǎn)，提出了分別從車架端激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)端激勵(lì)兩個(gè)方面進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的方法。通過對(duì)結(jié)果分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)端X方向激勵(lì)時(shí)，出現(xiàn)的最大頻響應(yīng)力與失效位置相符，得出排氣管支架失效的主要原因來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。為后續(xù)該支架的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)，具有一定的指導(dǎo)意義。

由于頻響分析中，假設(shè)結(jié)構(gòu)本身的模態(tài)與激勵(lì)頻率固定振幅進(jìn)行耦合分析，但是實(shí)際激勵(lì)載荷的振動(dòng)幅值是時(shí)刻變化的，模態(tài)吻合如果振動(dòng)幅值非常小的情況下，考慮阻尼的影響，結(jié)構(gòu)不一定會(huì)激起響應(yīng)的模態(tài)振型，因此，頻響分析用來(lái)判定結(jié)構(gòu)的失效并不是最完美的方法。下一步計(jì)劃測(cè)量車架端和發(fā)動(dòng)機(jī)端的可靠性試驗(yàn)路試振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，依據(jù)采集的信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)疲勞分析，能夠進(jìn)一步確定危險(xiǎn)位置的應(yīng)力水平，從而為設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。