柴油机SCR后处理装置结构性能分析与改进

2018-02-05刘军周磊臧志成赵闯卢凯

汽车技术 2018年1期

刘军周磊臧志成赵闯卢凯

（1.江苏大学，镇江 212013；2.凯龙高科技股份有限公司，无锡 214177）

1 前言

柴油机SCR后处理装置主要有方形和桶形两种，因为空间布置的限制，方形结构多为货车所采用。目前，对SCR结构性能方面的研究还很少。周小燕研究了桶形后处理装置的结构特性[1]，而针对方形后处理装置结构性能方面的研究目前几乎没有，因此研究方形后处理装置的结构特性十分必要。

本文以某款存在载体脱落和异响问题的方形后处理装置为研究对象，利用ANSYS Workbench进行结构动力学分析，找出产生问题的原因并提出改进方案，最后进行分析验证。

2 排气系统建模

利用CATIA建立SCR后处理系统的几何模型，并根据有限元计算要求对其进行简化。在对重要零件进行简化时，需要注意尽量与原始几何特征保持一致，以反映真实零件的结构特征。

将简化后几何模型导入ANSYS Workbench软件进行前处理操作。对SCR内载体的简化有两种方法，即将其定义为刚体来处理及采用集中质量点来代替，并赋予质量、转动惯量等。各部件之间采用绑定（Bounded）接触。网格尺寸设置为5 mm，生成有限元模型网格数量为12×104。

3 结构动力学分析

3.1 自由模态分析

发动机为四冲程6缸发动机，怠速为700 r/min，最高转速为2 100 r/min，发动机激励频率范围为35~105 Hz，以此作为分析频率范围。利用ANSYS Workbench对处理装置箱体进行模态分析，计算自由模态频率和振型，自由模态前6阶表现为刚体位移，不作分析。第7阶固有频率为61.10 Hz，第8阶固有频率为100.04 Hz，在发动机激励频率范围内，后处理箱体很可能产生共振，需要重点考察。

图1是后处理箱体第7阶和第8阶振型。为了看清箱体内部结构的振动情况，已将后处理装置的桶体隐藏。第7阶振型表现为载体左右窜动，如果后处理装置经常处于该状态，极易导致载体脱落。第8阶阵型是消声棉隔板的振动，由于消声棉隔板上分布着密集的小孔，所以自身刚度不足，在100 Hz频率激励下产生共振，产生辐射噪声即异响。

图1 自由模态阵型

3.2 约束模态分析

改进前后处理装置通过箍带固定在支架上，如图2所示。模态分析时进气管端采用固定约束，支架板与横梁接触处固定约束，前6阶固有频率见表1。

发动机激励频率范围内存在4阶固有频率，对应的振型如图3所示（隐藏后处理装置桶体）。前2阶振型均表现为桶体和支架整体上下振动与载体的前后窜动，振型有不同程度的叠加；第3阶振型表现为桶体和支架整体左右扭振与载体前后窜动振型的叠加；第4阶振型表现为消声棉隔板的振动。

图2 后处理装置整车安装示意

表1 约束模态前6阶固有频率 Hz

图3 约束模态振型

后处理装置整体振动和内部载体的前后窜动都易导致载体脱落。整体的上下振动主要是由支架的刚度不足引起，载体的前后窜动主要是由后处理装置内部隔板刚度不足导致。自由模态分析中隔板和载体组件振动的固有频率为61.1 Hz，属于局部模态，但在约束模态振型中前3阶模态频率处都出现了隔板和载体组件不同程度的振动，说明支架和后处理装置的整体振动会激发内部隔板和载体的振动；约束模态前3阶振型中也都出现了整体不同程度的振动，说明隔板和载体组件的振动也会激发支架和后处理装置整体的振动。后处理装置整体振动和内部载体的前后窜动二者耦合在一起，进一步加剧载体脱落。消声棉隔板的振动属于局部模态，增加约束后模态频率略有下降，当发动机转速处于2 000 r/min附近时易产生异响。