基于NASTRAN的某皮卡排气系统耐久性能仿真优化研究

2021-05-26朱小文钟根丁刘敏李想

汽车实用技术 2021年9期

朱小文，钟根丁，刘敏，李想

（江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心，江西南昌 330001）

1 引言

随着国民经济快速发展和各主要城市对于皮卡进城限制政策解禁，商用车尤其皮卡车型销量得到迅猛增长，而用户对于皮卡车型的NVH和耐久可靠性能要求也越来越高。排气系统是整车的重要组成系统部件，其主要由催化器转化器、消声器、排气管、吊钩等零部件构成，良好的结构强度性能，优异的温度场性能及耐久性能对该系统有效降低噪声、减少排放污染等功能具有基础性影响，其性能优劣直接影响整车NVH性能[1-4]，故研究排气系统耐久力学性能指标具有重要的经济和社会意义。

本文采用NASTRAN和HyperMesh软件，对某商用车皮卡基础方案和优化方案的排气系统进行了CAE模态、温度场和强度分析，多方面校核了排气系统耐久力学性能，结果显示排气系统优化方案避开了发动机怠速共振频率，温度场性能分布均匀，耐久性能满足设计目标。

2 排气系统CAE模态分析

2.1 模态分析理论

结构系统固有模态频率及振型是分析结构振动特性基础，通过模态分析可确定结构的振动特性[5]。排气系统的振动方程为[5]：

式（1）中，[M]为结构总质量矩阵；C为阻尼矩阵；[K]为总刚度矩阵；为加速度向量；{q}为位移向量。

2.2 排气系统有限元模型

本文采用Hyperworks和Nastran有限元软件，对某商用皮卡车型排气系统基础方案和优化方案进行建模，网格尺寸大小4mm，模型质量分别为42kg和44kg，排气系统本体材料为Q235，波纹管的动静刚度参数如表1，排气系统 FEA模型如图1所示。

图1 排气系统FEA模型

表1 波纹管动静刚度

2.3 排气系统CAE模态分析

本文首先对排气系统基础方案和优化方案进行了模态分析，提取前四阶频率振型，得到图2的CAE分析结果，其中基础方案一阶模态频率为289Hz，二阶模态频率为305Hz，优化方案排气系统的一阶模态频率为203Hz，二阶模态频率为296Hz，该皮卡车型发动机怠速频率25Hz，模态分析结果显示避开了怠速共振带，满足目标。

图2 优化方案排气系统模态CAE分析结果

3 排气系统温度场分析

本文对某商用车排气系统基础和优化方案进行了温度场分析，模拟发动机的尾气进入排气系统后的主要零部件温度场分布，得到图3的温度场CAE分析结果，从图可知，进气端零部件法兰和催化器壳体温度较高，其中基础方案进气法兰771摄氏度，催化器壳体790摄氏度，焊接支架温度相对较低，为340摄氏度，而优化方案排气系统的进气法兰温度为758摄氏度，催化器壳体为778摄氏度，焊接支架温度为320摄氏度，由此得出优化方案较基础方案温度下降改善效果明显。

图3 排气系统基础方案和优化方案温度场分析结果

4 排气系统热应力强度分析

本文对某商用车排气系统基础方案和优化方案进行了热应力分析，热应力分析顺序为：Step1在常温下使用预紧扭矩将法兰螺栓和支架螺栓扭紧，Step2为释放预紧扭矩，保持螺栓在预紧状态，Step3为加载温度场得到最高排温下的预催化温度分布，计算出PEEQ1，而Step4为将预催温度降到常温，计算出PEEQ2，而Step5为再次加载到最高排温下的预催温度，计算出PEEQ3。

本文按照上述载荷分析步骤，对某商用车排气系统基础方案和优化方案进行了热应力强度分析结果，如图4。基础方案催化器壳体PEEQ为1.84%，焊接支架PEEQ为0.64%，而优化方案的催化器壳体PEEQ为1.51%，焊接支架PEEQ为0.43%，改善效果明显。