发动机排气系统模态分析
Simwe会员 st_knight
摘 要:为找出某款发动机排气系统在试验中出现排气歧管与三元催化器连接法兰螺栓断裂的原因～利用Nastran有限元分析软件对排气系统进行模态分析～并判断在此排气系统三元催化器上加支架是否需要。分析结果表明:试验时发动机的某阶激励频率与该排气系统的固有频率发生耦合～引起了共振～造成螺栓的断裂。
关键词:排气系统 三元催化器 模态分析 有限元
1引言
某款发动机排气系统在试验中出现排气歧管与三元催化器连接法兰螺栓断裂的现象，为找出螺栓断裂原因利用Nastran有限元分析软件对发动机排气系统进行模态分析，并判断在此排气系统三元催化器上加支架是否需要。
汽车排气系统所受激励主要由两部分组成:1)发动机运行产生的高频激振力;2)道路不平顺等因素引起的由车架所带来的随机低频运动激振。此排气系统所匹配的发动机为1.6CBR四冲程4缸机，发动机每转两圈，每缸爆发一次，由此可计算出爆发频率为N*4/(60*2) (N为发动机转速)。
2 排气系统模态分析
2.1物理模型
图2.1.1为排气系统三维几何模型，包括排气歧管、三元催化器、波纹管及前消声器和后消声器。其排气歧管和三元催化器支架通过螺栓与发动机刚性相连，中间以三处橡胶支撑悬挂在车厢底板平面上。
图2.1.1 排气系统的三维几何模型
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2.2有限元模型及边界条件
对于排气系统大部分较薄的区域，采用壳来进行模拟;对于排气歧管和连接法兰等，则采用实体进行模拟。 由于波纹管结构和橡胶吊挂材料特性的复杂性，在分析和建模过程中，对上述部件进行了简化处理:(1) 采用集中质量和弹簧代替波纹管;(2)橡胶悬置可视为线性弹簧，橡胶悬置的阻尼有助于减小振动，但为了简化分析工作，忽略橡胶阻尼的影响;(3)鉴于减振的目标是使由排气系统传递到地板的力最小，整车地板将假定为刚体。图2.2.1为排气系统的有限元模型:
图2.2.1 排气系统有限元模型
施加的约束为:(1)排气歧管与发动机连接法兰面上所有节点的三个平动自由度;(2)三元催化器支架与发动机连接螺栓孔节点的六个自由度;(3)通过弹簧连接车身与排气系统的吊挂点，弹簧仅在垂直于地面方向承受拉压(在弹簧的两节点间放置RBE2来约束剩余5个自由度)。
2.3排气系统模态计算
对排气系统进行两种
方案
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下的模态计算:(1)采用试验状况下的三点吊挂(取消前消声器和波纹管之间的吊挂点)，三元催化器加上支架;(2)取消三元催化器的支架进行计算。
2.3.1 方案1计算结果
表2.3.1为排气系统方案1的模态频率:
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表2.3.1
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率(Hz) 4.68 6.05 8.66 10.56 12.43 12.95 27.43 33.85 46.81 49.28 阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 频率(Hz) 60.91 83.16 114.6 120.9 137.4 142.9 197.9 216.2 239.9 244.3
图2.3.1.1是排气系统方案1的三元催化器和连接螺栓有限元模型，为了更好分析结果取螺栓破坏位置附近的节点进行分析，如图2.3.1.2所示。
图2.3.1.1 方案1的三元催化器和连接螺栓有限元模型
114.6Hz
216.2Hz
图2.3.1.2 三元催化器和排气歧管连接螺栓所选节点幅频曲线
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图2.3.1.3 排气系统在114.6Hz下振型图
图2.3.1.4 排气系统在216.2Hz下振型图
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图2.3.1.5 三元催化器和支架在216.2Hz下振动应力图
从图2.3.1.2可以看出，排气歧管和三元催化器连接螺栓所选节点的频谱结构几乎完全一致，在频率114.6Hz和216.2Hz处，频谱幅值为波峰值。图2.3.1.6-7为排气系统在在频率114.6Hz和216.2Hz下的振型图，从图中可以看出主模态都为垂直面的弯曲模态。114.6Hz和216.2Hz对应的发动机转速分别为3438rpm和6480rpm，当发动机转速达到6000-6200rpm时，对应的激励频率落在216.2Hz附近。由此判断，螺栓断裂的原因可能是排气系统与发动机的某阶激励频率耦合而引起的共振。在216.2Hz模态频率下，三元催化器支架最大振动应力处正是试验中发生断裂的位置，如图2.3.1.5所示。
2.3.2 方案2计算结果
表2.3.2为排气系统方案2的模态频率:
表2.3.2
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率(Hz) 4.68 6.05 8.65 10.56 12.41 12.91 27.43 33.77 46.79 49.18 阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 频率(Hz) 60.76 81.82 106.3 117.2 136.7 142.9 197.9 213.1 239.8 244.1
对比表2.3.1和2.3.2可以发现，把三元催化器支架取消之后，排气系统的各阶模态频率分布没有太大改变，只是在13阶、14阶和18阶模态频率值有所减小。
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图2.3.2.1 方案2的三元催化器和连接螺栓有限元模型
图2.3.2.1是排气系统方案2的三元催化器和连接螺栓有限元模型，取螺栓破坏位置附近的节点进行分析，如图2.3.2.2所示。
106(3Hz
213.1Hz
图2.3.2.2 三元催化器和排气歧管连接螺栓1所选节点幅频曲线
从图2.3.2.2可以看出，取消三元催化器支架后排气系统的排气歧管和三元催化器连接螺栓所选节点在频率106.3Hz和213.1Hz处，频谱幅值为波峰值。图2.3.2.5-6为排气系统在在频率114.6Hz和216.2Hz下的振型图，对比图2.3.1.6-7可以看出在这两阶模态下排气系统的振型没有改变，只是幅值有所增大。
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图2.3.2.5 排气系统在106.3Hz下振型图
图2.3.2.6 排气系统在213.1Hz下振型图
通过以上排气系统三元催化器安装支架和取消支架计算分析可知，安装支架和取消支架并没有改变排气系统整体的模态分布，只是取消支架后在13阶、14阶和 18阶模态频率有所减小，所以支架的取消没有改变排气系统模态频率分布。
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4 结论
根据以上计算分析，可以得出以下基本结论:
1)排气系统三元催化器与排气歧管法兰连接螺栓的断裂是由于排气系统频谱幅值最大值对应的模态频率与发动机的某阶激励频率发生共振造成的，可以通过调整波纹管刚度来解决;
2)排气系统三元催化器的支架安装与否，对于排气系统的模态频率分布改变很小，可是起到了保护三元催化器的作用，建议保留支架。
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浙公网安备 33021202002483