某汽车排气系统支架应力分析及改进.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:基金项目:国防科技重点实验室基金项目()第一作者简介:张鹏()男山东潍坊人工程师主要研究方向为车辆排气系统设计与优化:.:./.某汽车排气系统支架应力分析及改进张鹏王哲李俊芳徐文进.克康(上海)排气控制系统有限公司上海.上海交通大学 机械与动力工程学院上海 摘要:为解决某汽车排气系统支架的开裂失效故障通过断口电镜扫描分析、焊接质量检测、晶度分析等方法确定支架失效原因为发动机振动引起的高周疲劳失效 设计加宽支架的 个支角并做圆角过渡和将支架的 个支角连成一体 种支架优化方案 对 种优化方案进行有限元振动激励响应分析根据分析结果选择较优方案进行台架整体耐久振动试验验证 仿真结果表明:优化方案二支架的应力显著降低在最大共振频率为 时的应力为.较原支架应力降低了.台架试验结果表明优化方案二支架在 倍寿命循环后无明显损伤满足耐久性考核目标关键词:排气系统支架结构失效高周疲劳应力中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:张鹏王哲李俊芳等.某汽车排气系统支架应力分析及改进.内燃机与动力装置():.():.引言汽车排气系统支架一端连接排气管另一端连接变速箱、发动机或车架是决定排气系统耐久性和可靠性的关键零件 排气系统的工作环境恶劣由于排气系统与发动机缸体为刚性连接发动机工作状态下的振动能量直接传递到排气系统上在发动机全负荷工况下排气系统承受的振动加速度均方根可达到(为自由落体加速度)同时排气系统还承受温度为 左右的高温废气冲击这对排气系统的可靠性提出了极高的要求发动机耐久性试验过程中排气系统支架失效是一种常见的失效形式众多学者为解决这一问题进行了研究 文献对某大型液压挖掘机排气系统支架进行模态分析、谐响应分析和排气系统外部激励的测试分析发现排气系统与外部激励存在共振是支架开裂的根本原因通过对支架进行结构优化解决了排气系统共振问题文献利用 软件对整个排气后处理系统进行模态及结构应力分析通过在 催化消声器前 处增加固定支架或波纹管可有效解决支架断裂故障文献 利用 软件对整个排气系统进行模态分析和频率响应分析确定发动机端 方向激励引起的振动是排气管支架失效的主要原因为排气管支架的后续分析和设计改进提供了理论基础设计一套排气系统支架既能承受高振动能量所带来的高周疲劳载荷又不能过于强硬地约束排气系统从而降低由热冲击带来的低周疲劳载荷是解决排气系统支架失效的关键 本文中通过电镜扫描分析等方法对某失效的发动机排气系统支架进行分析确定失效原因采用计算机辅助工程()、有限元分析方法对原支架和优化支架的设计方案进行频响分析验证优化方案的有效性为支架的设计优化提供依据 支架失效原因分析.断口分析某款匹配.缸汽油机的排气系统支架在发动机振动耐久试验中开裂失效 该支架为冲压件材料为 不锈钢厚度为 通过熔化极活性气体保护焊方法焊接到排气系统本体上 支架结构和开裂失效照片如图 所示 )支架与排气管的连接 )支架结构 )支架开裂照片图 排气系统支架结构和失效照片在电子显微镜下观察失效支架的形貌如图 所示图)红框区域为观测点 由图)可知:断口表面呈粗糙的撕裂状无明显疲劳辉纹可确定红框区域为断裂的起始点起始点具体位置如)所示起始点位置表面观察到一层氧化膜可判定初始裂纹存在的时间较长剩余部分断口是在振动载荷作用下撕裂断开 )观测点 )高倍放大图 )裂纹起点图 断口分析裂纹由起始点向外延伸在裂纹扩展处可以观察到明显的疲劳辉纹如图 所示 由图 可知:引起支架开裂失效的主要原因为高周疲劳载荷失效并可同时判断出裂纹延伸的方向 )辉纹 )辉纹 )辉纹 图 失效模式(扩展区疲劳辉纹)第 期 张鹏等:某汽车排气系统支架应力分析及改进.失效件材质和焊接质量检查对失效支架材料成分进行分析结果表明材料符合标准 对失效支架与本体的焊接部分进行切片分析沿焊缝长度方向取 个点切片切片的测量结果如表 所示 由表 可知焊缝厚度、宽度、焊高和熔深占比均符合标准要求焊接质量合格表 个焊缝切片的测量结果切片实际测量结果标准要求壁厚/缝隙/焊缝厚度/熔深/焊缝宽度/焊高/熔深占比/焊缝厚度/焊缝宽度/焊高/熔深占比/.失效支架断口检测点示意和周围及母材的晶粒度分析结果如图 所示 由图 可知:断口起始点、中间点、终断点及母材的晶粒度分别为.、.、.、.级晶粒存在因焊接造成的长大现象但没有异常的晶粒缺陷可以排除失效是样件质量缺陷引起图 支架断口及母材的晶粒度检测结果综上所述可以确定排气系统支架在发动机振动时承受的振动载荷过高而导致开裂失效由于排除了材料和焊接质量导致断裂的可能性所以需要提高支架系统承受振动载荷能力 本文中通过优化支架结构将振动能量分摊到整个排气系统的结构上降低局部的应力集中避免失效 应力分析及改进.改进思路对原方案和优化方案分别进行 仿真计算分析各方案在发动机激励下的振动应力分布通过比 内燃机与动力装置 年 月 第 卷较原方案和优化方案的应力选出最优方案并进行试验验证.有限元模型和振动激励响应分析图 排气系统有限元模型建立排气系统的有限元模型排气系统有限元模型如图 所示 模拟整个排气系统在发动机安装状态下的约束状态模型在工作状态下的温度由前期计算流体力学分析和流固耦合分析得到模型的振动加速度输入为试验状态下采集到的发动机实际振动加速度 通过仿真计算整个有限元模型在发动机激励下的动态响应输出有限元模型在发动机激励下的位移、应力、应变等由于支架失效形式是振动失效所以重点分析其在振动激励下的应力分布原支架应力分布及应力随频率变化曲线如图 所示 )应力分布云图 )应力随频率变化曲线图 原支架应力分布及应力随频率变化曲线由图 可知:在发动机振动激励下排气系统本体与原支架焊接处应力较大出现应力集中现象频率不同应力集中的程度不同原因为排气系统与发动机共振时振动能量较高应力水平随之较高原支架与发动机的共振频率为 支架与排气管连接处的振动应力达到.支架工作时的温度为 所受应力偏大应力集中处与支架断裂位置相吻合模型正确有效 为解决支架开裂问题对原支架的连接刚度进行改进优化降低支架与排气管连接处的应力水平减弱应力集中现象.优化方案通过改变支架的料厚、料宽和连接结构改变整个支架系统的连接刚度设计 种不同的支架优化方案优化方案结构如图 所示优化方案一:加宽支架的 个支角并圆角过渡优化方案二:将支架的 个支角连成一体提高支架的刚度 )方案一 )方案二图 支架优化方案第 期 张鹏等:某汽车排气系统支架应力分析及改进 对优化方案在相同发动机激励下的应力情况进行仿真分析结果如图 所示 由图 可知:优化方案一在频率为、时出现应力峰值分别为 、优化方案二在、时出现应力峰值分别为 、在最大共振频率()时优化方案一、二在应力集中点(即开裂位置)的应力相比原支架应力分别降低了 和 方案二效果较好 )优化方案一 )优化方案二图 优化方案支架应力随频率变化曲线.试验验证图 优化方案二支架 试验后状态制作优化方案二的样件对分别安装原支架和优化方案二支架的发动机在台架上进行整体耐久()振动试验 原支架在第 个 振动循环时发生开裂未达到 个 振动循环的设计目标优化方案二支架完成了 个耐久循环后继续试验到 倍寿命循环后支架仍未见明显损伤试验后照片如图 所示 对试验后的优化支架进行拆解和探伤分析优化后支架状态良好无裂纹满足耐久性考核要求 结论采用电镜扫描、晶相分析等方法对某排气系统支架在试验过程中出现的断裂失效故障进行分析确定原因为高周疲劳失效 提出了 个支架优化方案并对 个优化方案进行有限元频响分析结果表明优化方案二(将支架的 个支角连成一体)的应力显著降低在最大共振频率下的应力比原支架下降了 台架振动耐久试验表明优化方案二满足耐久性考核目标参考文献:王桂群白俊伟李庆成.支架在车辆排气系统中的应用/河南省汽车工程学会.第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集.郑州:河南省汽车工程学会:.邢建高志彬杨科彪等.某商用车排气系统模态及支架动刚度分析.汽车零部件():./.:.():.内燃机与动力装置 年 月 第 卷 王慧玲刘耀东.排气系统支架及实体焊缝热振动疲劳评估研究.上海汽车():.刘兴鑫赵卫东张少波.挖掘机排气系统支架断裂原因分析与改进.建筑机械():.耿磊袁志玲刘正锐等.基于 排气系统固定支架有限元分析.内燃机与动力装置():.王娜崔震王乾勋等.基于频率响应的商用车排气管支架失效问题研究.汽车工艺师():.侯献军卢俊宇何喆等.摩托车排气系统耐久性分析及结构优化.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)():.黄政李云涛蓝军等.排气系统热端支架低周疲劳开裂分析与优化.内燃机与动力装置():.:.:.赵俊男于洋董有昌等.基于有限元技术的铸铝支架结构性能研究.汽车实用技术():.周新刘海波代智军等.汽车排气系统消声器支架拓扑优化设计/中国力学学会.结构及多学科优化工程应用与理论研讨会()论文集.北京:中国力学学会:.金一炜.某商用皮卡排气系统力学性能仿真研究.汽车实用技术():.徐成民连志斌李天兵.考虑焊接螺母的排气管支架疲劳优化研究.汽车工程学报():.().:.:(责任编辑:郎伟锋)第 期 张鹏等:某汽车排气系统支架应力分析及改进