模态分析在排气歧管支架开发中的应用.pdf

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1、第43卷第3期2014年6月小型内燃机与摩托车SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEV01．43No．3Jun．2014模态分析在排气歧管支架开发中的应用王荣吉1陈润生1谢(1一泛亚汽车技术中心上海201201雷2晁鑫1邓大伟12一克康(上海)排气控制系统有限公司)摘要：主要研究典型的排气歧管催化器支架的开发。发动机耐久性试验失效，靠近发动机排气端的失效主要与支架失效有关。通过应用NVH理论知识，以及材料的疲劳理论，采用CAE及试验的方式，主要是排气歧

2、管催化器模态分析，将排气歧管的结构模态频率提高到避开发动机的共振频率。介绍了支架的模态分析过程以及谐振试验，进行了耐久性验证，并归纳总结成完整方法作为设计参考。关键词：支架设计排气歧管模态谐振试验中图分类号：TK412+．3文献标识码：A文章编号：1671—0630(2014)03—0025—05ApplicationofModalSimulationonBracketofExhaustManifoldDevelopmentWangRongjil，ChenRunshen91，XieLei2，Cha

3、oXinl，DengDaweil1一PanAsiaAutomotiveTechnicalCenterCo．，Ltd．(Shanghai，201201，China)2一Kekang(Shanghai)ExhaustControlSystemCo．，Ltd．引言近年来，为了提高排放性能，催化器越来越接近发动机，有些已经和排气歧管连成一体。其主要的功能是将高温废气引出，同时给氧传感器布置最佳安装位置，给发动机控制器提供精确的空燃比信号，并且以最合理的方式将废气引入到三元催化器，使废气能够均匀地分布于催化

4、器表面，进行后处理以满足排放法规的要求。由于排气歧管催化器在高温，高振动的条件下运行，而排气歧管催化器只有支架和进气法兰与发动机缸体联接，因此支架设计的优劣将决定整个系统的耐久性寿命。在之前的研发过程中，没有重视支架的开发，因此排气歧管催化器经常出现开裂失效。同时也没有意识到这是一个系统性的问题，而只是做局部的修改。本文通过排气歧管支架的开发，从结构振动原理，通过优化支架的形式和结构，将系统自然模态频率提高，从而避免与发动机产生共振，最后通过谐振试验，验证了设计的可行性，归纳总结成一种研发的作者简

5、介：王荣吉(1979一)，男，硕士，工程师，研究方向为发动机进排气及后处理。虮慨出汹㈣_至＆一裟裟一～叩一妣呼叼叽¨_訾∽嘣把m撕南幽一一一一训～如”B北旧曲巍蛐一椰砒⋯一懈．K瑚gt羽●对n¨．5；玛咒”k．暑叭吨斛雠h_蓍26小型内燃机与摩托车第43卷方法。1排气歧管支架的模态分析1．1支架模态分析的理论基础排气歧管催化器的支架及其连接的零部件是一个连续体，是由无限自由度组成的系统，但是基于有限元理论，其可以离散成有限个自由度的多自由度振动系统。根据牛顿第二定律，可得到该系统的微分方程为：Ma

6、(t)+Cti(t)+Ku(t)=．厂(t)M(0)=ll,。，西(0)=n。(1)其中M，C和K分别为质量矩阵，阻尼矩阵和刚度矩阵；M(t)和f(t)分别为系统的位移向量和激励向量；和为系统的加速度向量和速度向量；it。和西分别为系统的初始位移向量和初速度向量。对于一个有11,个自由度的振动系统，用11,阶向量来描述物理参数模型，线性范围内可看作，。个主振动模态振型的线性叠加。每个主振动模态振型都有一种特定形态的自由振动，振动频率即为系统的固有频率。振动形态即为系统的模态。进行模态分析时，系统可

7、以看作一个多自由度无阻尼系统，因此系统的模态主要取决于系统的质量矩阵和刚度矩阵_lJ。当阶次模态与系统受到的激励力频率一致时，系统产生的振动最大，即发生共振。支架发生共振受发动机转速频率的影响，发动机转速的基频可由下式得‘2I：，，Ⅳ"，26—0—r(2)式中，Ⅳ为发动机缸数，，。为发动机转速，丁为发动机冲程数。当排气歧管催化器总成的共振频率带宽落在发动机转速频率范围内时，支架就会发生共振，从而引起支架及其连接的排气歧管催化器系统的破坏失效。因此排气歧管催化器系统设计时，通常需要将系统的共振频率超

8、过发动机可能产生的最高的基频。并且考虑到高温导致材料的刚度下降，在设计时须考虑一定的安全系数，通常为最高基频的1．2倍以上。1．2支架的模态分析ABAQUS大量使用于汽车领域，具有丰富的单元数据库和材料模型库，能够准确地解决结构分析的问题。采用ABAQUS对排气歧管催化器系统进行分析，保证分析的有效性[3]。排气歧管催化器系统的实体模型由Unigraphic软件建立。由于模型相当复杂，所以采用专门的网格处理软件Hypermesh进行前处理，然后将网格导人ABAQUS进行边界条件设置