乘用车排气净化器频响分析方法

杨小东 李东晗 齐冬亮 张文文 赵宁

摘要：基于发动机试验和频响分析，以某乘用车排气净化器为例，研究振动强度的评价方法，考虑排气高温对结构强度的影响，选择频响分析的位移和应力作为验证和评价的指标，分析获得的出气法兰峰值加速度与试验结果具有很好的一致性。上、下蚌殼焊缝处为净化器结构的高风险区域，该区域的应力水平是决定净化器结构强度的关键指标。研究结果认为：在分析采用的载荷和温度输入条件下，该净化器结构强度满足可靠性要求。

关键词：排气净化器;振动;强度;频响;模态;发动机试验

中图分类号：U464.134

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）01-0018-04

0 引 言

汽车排气净化器承受高温载荷和剧烈振动，其结构可靠性一直是重要的研究内容。[1-5]自2000年以来，国内学者在排气净化器强度分析方面进行大量的研究和应用。陈东兴等[6]利用Abaqus对常温下排气歧管进行模态分析，得到排气歧管总成的振动频率和固有振型;刘志恩等[7]探讨发动机热负载对排气歧管模态的影响，将高温环境引入到排气歧管的模态分析中。胡国强等[8]和杨超等[9]将模态分析方法成功应用到排气歧管的故障分析中，拓宽模态分析在排气净化器领域的应用范围。

本文在已有研究成果的基础上，考虑外界载荷（高温和振动）对排气净化器结构强度的影响，结合发动机扫频试验数据，研究排气净化器的频响分析方法，通过应力分布确定净化器结构的薄弱区域，认为可以将其作为评价排气净化器结构强度的关键指标。

1 净化器频响分析流程

净化器频响分析实施流程见图1，具体包括发动机试验、传热分析和频响分析等。

（1）进行发动机试验，获得加速扫频过程中发动机的排气温度和振动加速度信号，作为后续分析的输入和对标数据。

（2）将发动机试验获得的温度边界作为分析的输入条件，进行有限元建模和传热分析，获得净化器的温度场分布。

（3）输入发动机扫频采集的振动加速度进行频响分析，并对位移分析结果与试验结果进行对标。

（4）对频响分析获得的应力结果进行综合分析，评价净化器结构的耐久性能。

2 试验过程

2.1 发动机扫频试验

在发动机扫频试验过程中，将发动机转速设定为1 000～5 000 r/min，油门开度设置为100%，加速时间设置为100 s，加速度测试位置为发动机缸盖、出气法兰和发动机缸体（近支架处）等。发动机扫频试验布置见图2，发动机缸盖z向振动加速度扫频曲线见图3。由此可知，发动机缸盖的4阶和6阶振动加速度相对较小。由于高阶次（高频率）振动对净化器本体的结构耐久性能影响较小，因此选取发动机2阶振动为净化器频响分析的输入载荷。当发动机转速上升时，发动机本体的2阶振动加速度保持线性上升，发动转速为5 000 r/min时，发动机2

阶振动加速度为3.2g。

2.2 温度测试

对净化器产品进行发动机温度测试，传感器布置见图4。监测发动机排气歧管出口温度，测试转速间隔为100 r/min，发动机转速范围为1 000～6 000 r/min，测试获得发动机加速过程中的排气温度曲线，见图5。由此可以看出，在发动机加速过程中，排气温度线性升高，最高排气温度为820 ℃。

3 频响分析理论

频响分析又称稳态动力学分析，即在周期正弦振荡载荷作用下，计算结构对每一个计算频率的动态响应。频响分析具有稳定、快速和准确等特点，广泛应用于产品结构承受旋转机械载荷、周期载荷的设计分析领域。

根据振动分析理论，排气净化器结构振动与结构本身的固有特性和外在激励载荷相关，其中结构本身的固有特性包括固有频率、振型和阻尼等。多自由度线性系统的振动方程[10-11]为

式中：M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;X··为加速度向量;X·为速度向量;X为位移向量，R（t）为外在激励载荷向量。

4 分析建模及结果评价

4.1 分析建模

排气净化器包括进气法兰、蚌壳、筒体、出气端盖、出气法兰、支架、隔热罩等结构，各子部件支架采用焊接工艺连接在一起，法兰之间、支架之间采用螺栓连接。

选择Abaqus进行网格划分，生成的网格总数为49 952个，净化器网格模型及关键点标注见图6。

净化器大部分结构（包括蚌壳、隔热罩、管子和支架等）采用四边形壳体单元S4;进、出气法兰采用六面体实体单元C3D8I;发动机为净化器的振源，对测点（图6中TP1、TP2和TP3点）进行固定约束，发动机主体采用刚体单元MPC-BEAM。为方便后续评价分析，对排气净化器的关键区域进行标注，见图6b），其中：A区域为上、下进气蚌壳右侧焊缝，B区域为上、下进气蚌壳左侧焊缝，C区域为支架与筒体焊缝，D区域为支架安装孔。

排气净化器结构采用SUH441不锈钢。该材料具有较好的高温强度和抗氧化性能，其弹性模量随温度的变化曲线见图7，材料屈服应力随温度的变化曲线见图8。随着温度的上升，材料的弹性模量和屈服应力都会明显下降，符合实际情况。材料常温下的弹性模量为201 GPa，在800 ℃时弹性模量下降到85 GPa。

4.2 结果评价

4.2.1 温度结果

将发动机排气温度作为传热分析的输入温度，考虑热对流和热辐射的影响，获得排气净化器的温度分布云图（图9），可以看出：排气歧管表面最高温度为765 ℃，位于进气歧管蚌壳上。传热分析获得的温度场可作为后续频响分析的温度输入，确保分析更贴近实际工况。

净化器各关键区域温度对比见图10，其中：A、B区域温度最高，达到760 ℃以上;C区域温度为543 ℃;D区域为104 ℃。因此，A、B区域对材料的高温强度提出更严格的要求，应重点关注。

4.2.2 位移结果

结合发动机加速度激励和频响分析，获得排气净化器的响应特性。在振动频率为165 Hz、发动机转速为5 000 r/min状态下，排气净化器位移分布云图见图11，出气法兰z向振动加速度的响应曲线见图12。此时：净化器本体未出现明显的共振，出气法兰最大位移为0.075 mm;在发动机转速为5 000 r/min情况下，净化器出气法兰振动加速度的分析结果为4.81g，对应的试验结果为4.66g。

4.2.3 应力结果

利用频响分析获得应力分布结果，对排气净化器结构的振动强度进行分析评价。

在振动频率为165 Hz、发动机转速为5 000 r/min情况下，净化器本体应力响应分布云图见图13。由此可以看出，图6标注的关键区域均表现出明显的应力集中。提取不同转速下的应力响应结果，各个危险点的应力响应曲线见图14。由此可以看出：在发动机工作转速区间，高风险A区域最大应力点的应力为18 MPa，该点的温度为766 ℃，对应的许用应力为25 MPa，满足强度要求;螺栓安装孔附近的最大应力点的应力为23 MPa，该点的温度为104 ℃，对应的许用应力为160 MPa，满足强度要求。由此可以判断，在分析采用的载荷和温度输入条件下，净化器结构满足可靠性要求。

5 结束语

结合试验结果和频响分析，研究高温条件下排气净化器的振动强度，将排气净化器结构分析从定性评价拓展到科学的定量预测，选择频响分析的位移和应力作为验证和评价指标，本文采用的方法可以节约台架试验的频次，具有客观的经济效益。

基于本文的研究结果，下一步的研究方向：一是分析高温热疲劳、热蠕变性能，完善热疲劳失效机制;二是完善热-机疲劳分析方法，研究排气净化器结构热-机疲劳分析方法;三是结合发动机试验和道路耐久测试等用户工况，完善用户工况下排气净化器的耐久寿命预测方法。

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（编辑 武晓英）