發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管隔熱罩的數(shù)值分析

藍(lán)苑尤，梁志達(dá)

（1.柳州市龍杰汽車配件有限責(zé)任公司，廣西柳州545006；2.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州545006）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，作為發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、高壓的廢氣通道［1］，排氣歧管會(huì)向外輻射熱量，為保護(hù)機(jī)艙內(nèi)的其他零部件，需要在排氣歧管表面設(shè)計(jì)安裝一個(gè)隔熱罩。隔熱罩具有耐熱耐腐蝕和熱反射等性能。國內(nèi)常用的隔熱罩一般有單層鍍鋁板和雙層鍍鋁板，中間設(shè)有隔熱棉。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的附屬部件，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡力矩和慣性力矩或波動(dòng)的輸出扭矩引起振動(dòng)［2］，隔熱罩在承受高溫的同時(shí)，還受到發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)迫振動(dòng)，在長期運(yùn)行后容易發(fā)生破裂現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和NVH性能。

在零部件設(shè)計(jì)開發(fā)前期，通過虛擬仿真對(duì)樣件進(jìn)行模擬，分析隔熱罩的模態(tài)與熱應(yīng)力。通過仿真手段發(fā)現(xiàn)隔熱罩的問題，便于在設(shè)計(jì)階段對(duì)模型進(jìn)行修改，減少打樣成本，縮短開發(fā)周期。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

固有頻率和振型為隔熱罩的固有特性，其振動(dòng)可看成一個(gè)多自由度的振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)微分方程［3］為

式中：M、C、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；q、Q分別為廣義位移列向量和廣義力列向量。

考慮n自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為

上式可轉(zhuǎn)化為

式 （3）有非零解的條件是行列式等于零，即

對(duì)式 （4）和式 （3）求解，即可獲得系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)向量。

1.2 熱應(yīng)力的基本原理

物體的熱問題一般有：傳熱問題和熱應(yīng)力問題［4］。設(shè)物體內(nèi)部存在溫差ΔT（x，y，z），那么這個(gè)溫差將引起熱膨脹，其膨脹量為αTΔT（x，y，z），αT為熱膨脹系數(shù)，物理方程為

其中：N、D、S、B分別為單元的形狀函數(shù)、彈性系數(shù)矩陣、應(yīng)力矩陣和幾何矩陣。從上式可知，溫度變化對(duì)正應(yīng)力有影響，對(duì)剪切應(yīng)力沒有影響。

對(duì)單元的位移和應(yīng)變分別求變分得

將單元的位移和應(yīng)變公式及虛應(yīng)變代入虛功方程中，由于節(jié)點(diǎn)位移的變分增量的任意性，消去該項(xiàng)可得：

2 模型分析

2.1 有限元模型創(chuàng)建

此次分析的隔熱罩為單層鍍鋁板結(jié)構(gòu)，其板材為SA1D，厚度為1 mm。將模型導(dǎo)入到HyperMesh中，抽中面，清理幾何模型，采用殼單元的形式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。賦予隔熱罩的材料屬性、厚度及熱膨脹系數(shù)。將隔熱罩的3個(gè)螺栓孔約束。將模型以inp文件的形式導(dǎo)入到ABAQUS中，模型如圖1所示。

圖1 隔熱罩有限元模型

2.2 模態(tài)分析

計(jì)算隔熱罩約束模態(tài)的前3階固有頻率，其模態(tài)頻率見表1。隔熱罩的前3階模態(tài)振型如圖2所示。

表1 隔熱罩前3階模態(tài)頻率

圖2 隔熱罩前3階振型

約束模態(tài)的最低頻率為274.5 Hz，第一階振型出現(xiàn)在罩件的上面兩根棱上，振型向量較大，說明此處在模態(tài)上有些薄弱；第二階振型最大處出現(xiàn)在右邊角上，第三階振型最大處出現(xiàn)在左下角。隔熱罩匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程，最高轉(zhuǎn)速為5 600 r／min，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高激振頻率為186 Hz，隔熱罩的頻率滿足振動(dòng)要求，不會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)激起。

2.3 模態(tài)測試

模態(tài)測試采用LMS.Test.Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、力錘及三向加速度傳感器搭建測試系統(tǒng)，如圖3所示。在隔熱罩的有限元模型中，選取模態(tài)測試的激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)應(yīng)避開模態(tài)節(jié)點(diǎn)，在數(shù)模上選取模態(tài)測試所需的點(diǎn)，并記錄其坐標(biāo)，在LMS.Test.Lab軟件中建立點(diǎn)線模型，如圖4所示。結(jié)合隔熱罩結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及為避免傳感器引起附加質(zhì)量的影響，使用1個(gè)傳感器，在測試過程中采用移動(dòng)力錘的方法。測試時(shí)力錘的錘擊方向盡量與參考坐標(biāo)系的方向一致，盡量避免人為誤差。采用PolyMAX模塊選取頻率及計(jì)算振型，再通過Modal Validation模塊對(duì)選取的頻率進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 試驗(yàn)流程

圖4 點(diǎn)線模型

隔熱罩的測試頻率如表2所示，將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真與測試的振型一致，但是頻率數(shù)值上有幾赫茲的誤差，最大的誤差出現(xiàn)在第一階，誤差為2.3%。誤差原因可能為隔熱罩在測試時(shí)的固定方式未能達(dá)到與仿真設(shè)置的完全固定狀態(tài)一致，測試時(shí)敲擊方向與參考坐標(biāo)系方向不能完全一致等。

表2 隔熱罩前3階測試頻率

2.4 熱應(yīng)力分析

將分析步切換為Static，General。在Load模塊通過預(yù)定義場設(shè)置初始溫度為25℃，再通過修改繼承分析步載荷將幅值修改為200℃，排氣歧管側(cè)平均溫度為200℃，故以此作為熱源。

對(duì)模型進(jìn)行求解，隔熱罩的熱應(yīng)力如圖5所示，受熱變形云圖如圖6所示。

隔熱罩受熱后的最大位移并沒有出現(xiàn)在螺栓孔，出現(xiàn)在上邊緣，方向?yàn)橄虬枷蚴湛s了0.5 mm。螺栓孔處的變形較小，在受到排氣歧管熱輻射下，螺栓孔處并不會(huì)發(fā)生破裂。通過熱應(yīng)力的仿真分析，可知隔熱罩滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到耐熱性能要求。

圖5 隔熱罩的熱應(yīng)力分布

圖6 隔熱罩受熱的變形位移

3 結(jié)論

排氣歧管隔熱罩是一種隔熱、隔聲的關(guān)鍵零部件，如果設(shè)計(jì)不佳，不僅會(huì)影響部件本身的使用性能，還會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH性能。在樣件設(shè)計(jì)開發(fā)前期，通過ABAQUS軟件對(duì)隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析與熱應(yīng)力分析，預(yù)測了部件的固有頻率與熱應(yīng)力，其性能均在設(shè)計(jì)要求內(nèi)。

應(yīng)用CAE分析的方法，可快速得到零部件的性能水平，對(duì)部件的性能有直觀的了解，加快開發(fā)過程，保證性能目標(biāo)。