汽車排氣系統金屬波紋管結構參數與疲勞壽命的靈敏度分析

崔高健，王均，李紹松，關晉松

(長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012)

0 引言

汽車排氣系統金屬波紋管是位于汽車發動機排氣歧管與排氣系統之間的柔性金屬連接管，是排氣系統中良好的密封元件、連接元件及位移補償元件。汽車在行駛過程中，發動機自身運動和發動機本身產生的擺動，會使發動機相對于固定在車身上的排氣系統產生相對位移[1]，并將運動傳遞給排氣系統金屬波紋管。疲勞失效是汽車金屬波紋管的主要失效形式，可以通過實車或臺架試驗進行波紋管的疲勞壽命測試，但耗時周期長，且成本較高。隨著計算機及軟件快速發展，CAE分析已經成為疲勞壽命分析的重要手段。文中通過金屬波紋管在一定位移載荷下的有限元分析，獲得金屬波紋管的應力分布及應力集中區域，結合正交試驗方法確定影響金屬波紋管力學性能的主要因素，為金屬波紋管的結構設計提供理論依據。

1 金屬波紋管有限元模型建立

金屬波紋管的主要結構參數有內徑、波高、波距、波數、波徑、壁厚等。對于某款具體車型而言，給定發動機排氣歧管管徑及排氣歧管到排氣系統的距離，可以確定金屬波紋管的內徑和波數。因此，文中將重點分析波紋管壁厚、波高、波徑、波距4個參數對波紋管疲勞壽命的敏感性關系[2]。

采用SolidWorks進行金屬波紋管參數化建模，利用HyperMesh進行網格劃分和材料屬性設定。MSC.Patran具有較強的非線性分析能力，在MSC.Patran中進行應力分析和結果后處理。分析流程如圖1所示，利用SolidWorks參數化建模后，將其STEP文件導入到HyperMesh中，對其進行網格劃分和材料屬性設定，并導出BDF文件，在MSC.Patran中對導入的模型設定邊界條件和位移載荷并對其進行分析[3]。

圖1 金屬波紋管應力分析流程

2 金屬波紋管有限元計算及結果分析

由于金屬波紋管一端與排氣系統連接，屬于固定端約束；另一端與發動機排氣歧管連接，承受著軸向和徑向位移，并伴隨著角度的轉動[4]。

合作企業利用波紋管路譜采集設備采集波紋管的道路載荷譜，并通過自主開發的分析軟件確定某車型波紋管的運動軌跡參數。以此為依據設定金屬波紋管運動端軸向最大位移為0.385 mm，徑向最大位移為4.543 mm，旋轉角度為2.169°，金屬波紋管材料屬性如表1所示。

表1 金屬波紋管材料屬性

金屬波紋管有限元模型建立后，應用MSC.Patran進行應力分析計算，得到金屬波紋管的應力分布，如圖2所示。

圖2 金屬波紋管應力云圖

由圖2可以看出，金屬波紋管應力較大部分主要出現在被拉伸一側，且應力最大位置位于金屬波紋管拉伸一側第三個波谷處，最大應力為164 MPa，此位置為波紋管最易發生疲勞損壞的區域。

3 波紋管結構參數與疲勞壽命的靈敏度分析

對于某車型金屬波紋管，影響其使用性能的結構參數主要有壁厚、波高、波徑、波距。對金屬波紋管結構參數與疲勞壽命的靈敏度分析時，若進行全試驗設計，則需要進行的試驗次數太多。正交試驗設計能從全面試驗中挑選出一些有代表性的點進行試驗，對于多因素影響分析來說，正交試驗是一種快速、高效、經濟的一種試驗設計方法。文中將設計四因素三水平L9(34)的正交試驗，以金屬波紋管拉伸區域最大應力位置的損傷程度進行靈敏度分析[5]。結合合作企業多年來波紋管產品的產業化經驗，確定波紋管結構參數的因素水平，如表2所示，正交試驗及分析結果如表3所示，正交試驗應力分析如圖3—5所示。

表2 因素水平表 單位：mm

按照正交試驗共進行9種不同組合的分析，運用正交試驗極差分析方法，得到各因素對于試驗指標影響大小的排序，確定最合適的因素水平搭配。

根據每列因素各水平所對應試驗指標之和的平均值計算極差R，極差R越大反映該因素對試驗指標的影響越大，稱為主要因素，表4給出各結構參數在同一水平下的均值與各水平因素的極差。

表3 金屬波紋管正交試驗設計及分析結果

圖3 試驗號1—3的正交試驗應力分析圖

圖4 試驗號4—6的正交試驗應力分析圖

圖5 試驗號7—9的正交試驗應力分析圖

表4 金屬波紋管各參數極差分析 單位：mm

由表4可以看出，壁厚對疲勞壽命影響最大，是關鍵因素；波高影響次之，是一般因素；波徑和波距對應力變化影響較小。

對于壁厚A，當壁厚從0.15 mm增加到0.2 mm時，應力下降率為81.2%，當壁厚從0.15 mm增加到0.25 mm時，疲勞壽命下降率為88.1%，從中可以看出壁厚為0.15 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波高B，當波高從11 mm增加到12 mm 時，應力增長率為188%，當波高從11 mm增加到13 mm時，疲勞壽命增長率為306%，從中可以看出波高為13 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波徑C，當波徑從1.8 mm增加到2 mm時，疲勞壽命下降率為16%，當波徑從1.8 mm增加到2.2 mm時，疲勞壽命下降率為75.6%，從中可以看出波徑為1.8 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波距D，當波距從6 mm增加到6.4 mm時，疲勞壽命下降率為59.7%，當波距從6 mm增加到6.8 mm時，疲勞壽命增長率為20%，從中可以看出波距為6.8 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大。綜上所述，通過正交試驗計算法分析所得最佳組合方案為：A1B3C1D1，即壁厚為0.15 mm，波高為13 mm，波徑為1.8 mm，波距為6 mm。從分析過程可以看出，各結構參數在一定范圍內，金屬波紋管疲勞壽命隨著壁厚的增加而減小，隨著波高的增加而增大，隨著波徑的增加而減小，隨著波距的增加出現先減小后增大的情況[6]。

4 結論

波紋管最大應力位置出現在拉伸一側第三波的波谷處，且應力集中主要分布在波谷位置。正交試驗組合分析結果表明，金屬波紋管壁厚對其疲勞壽命影響最大，波高影響次之，波徑和波距變化對疲勞壽命影響相對較小。通過正交試驗計算分析能夠得到金屬波紋管各結構參數的最優組合方案，指導波紋管的結構參數設計。