基于绿色制造理念汽车发动机排气歧管有限元分析

武光华, 赵彤彤, 陈秀莲, 梁海明

(1.吉林工程技术师范学院, 吉林 长春 130052；2.柳州五菱汽车科技有限公司, 广西 柳州 545000；3.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530021)

1 引言

随着人们对绿色制造、节能减排等意识地不断增强，对汽车节能减排技术的应用提出了更高的要求。发动机排气系统作为汽车的重要组成部分之一，担负着收集废气、净化排放等任务，其工作性能又直接影响到发动机的工作效率、排放性、经济性和可靠性。排气歧管作为排气系统的关键部件，其整体结构和性能，则直接关系到整个排气系统的工作效率。因此，如何提高排气系统工作效率，对排气歧管进行有效的优化节能设计等一系列问题，是众多汽车制造企业绿色工艺创新的重要研究课题之一[1]。因此，本文采用CATIA进行三维建模，ABAQUS进行有限元分析，求解排气歧管的固有频率，判断其是否由于模态共振而失效故障，最后提出优化解决方案，同时也验证了有限元分析方法可以简单、全面地分析产品设计过程中的应力分布，对产品的轻量化设计、节能减排设计是有效和可靠的。

2 发动机排气歧管模型建立

本文依据某四冲程发动机排气歧管结构数据，利用CATIA软件建立三维实体模型。某型HT200灰口铸铁发动机排气歧管材料基本数据见表1，并对各参数数据的量纲进行统一。

表1 HT200灰口铸铁基本参数

将排气歧管三维模型导入到ABAQUS软件后，对模型赋予表1中的材料属性数据，并进行有限元网格划分，其有限元仿真模型如图1所示。为了后续更好地对模型整体施加边界条件，需要保持排气歧管底部模型为固定。进入载荷模块，在排气歧管底部模型上的十个面中分别选取十个参考点，随后对其进行固定约束，选择第一个参考点坐标自定义为(0，0，0)，随后将该点与该面耦合在一起，通过约束管理器可知其耦合参考点为RP-3，其他剩余的几个参考点和面均如此步骤，最后通过主菜单工具栏中选取“集”从而完成统一约束。上述ABAQUS的相互作用与载荷过程完成后，则需要点击进入工具栏中的边界条件管理器，并选取“力学/位移/转角”这一参数条件，由此来完成对整个排气歧管模型边界条件的约束。最后进入分析作业功能模块，提交分析、作业分析完成后，则自动进入后处理模块，模型约束轮廓图如图2所示。

图1 排气歧管网格划分

图2 排气歧管约束轮廓图

3 发动机排气歧管模态分析

3.1 模态分析理论基础

模态分析本质上是基于构件或子系统独特的振动性能来表达构件动态力学特性的一种方法，是最简单、最根本的动力系统分析，也是其他动力系统分析的理论基础，如瞬态分析、谐响应分析、响应谱分析和随机振动物理分析等。共包括实验模态综合分析和计算模态综合分析两部分，在发动机外激励振动作用下，所遵守的动平衡振动方程[2]，如式(1)所示。

[M]{x"}+[C]{x'}+[K]{x}={F(t) }

(1)

[x]-位移矢量，[x']-速度矢量，[x"]-加速度矢量，[M]-质量矩阵，[C]-阻尼矩阵，[K]-刚度矩阵，[F(t)]-力矢量。

自由振动问题的运动方程，如式(2)所示。

[M]{x"}+[K]{x}={0}

(2)

将正弦函数x=sin(wt)代入方程(2)后，得到式(3)所示。

([K]—ω^2[m]){x}={0}；

(3)

排气歧管的每一阶振型，都有相应的模态振动参数，振型之和可以构成模态振动的总像[3]。对排气歧管进行模态分析时，需要将原定义的振动微分方程中的物理坐标通过模态矩阵转化为模态坐标，再将方程转化为独立的方程，最后计算出排气歧管的模态参数，模态矩阵中的每一列都是排气歧管的模态形式。

3.2 HT200材料排气歧管的模态分析

通过模态分析后，变形云纹图的30个阶数分别对应不同条件下该模型的频率，如图3、图4为排气歧管前两阶的固有频率，表3列出了优化前HT200灰口铸铁材料前十阶的模态频率。

图3 HT200材料排气歧管一阶模态

图4 HT200材料排气歧管二阶模态

4 发动机排气歧管优化

发动机排气歧管优化可以进行结构优化和材料改进优化。结构优化可以选用添加加强筋的方法实现[4]，材料优化可以采用不同属性材料实现。本文将排气歧管材料由HT200灰口铸铁材料换成SUS304奥氏体不锈钢材料，其具体参数见表2。

表2 SUS304奥氏体不锈钢基本参数

将HT200灰口铸铁材料更换成SUS304奥氏体不锈钢材料后，重新进行模态分析，前两阶模态分别如图5、图6所示。前十阶模态频率数值，与旧材料的对比情况，见表3。

图5 SUS304材料排气歧管一阶模态图

图6 SUS304材料排气歧管二阶模态

表3 HT200材料与SUS304材料排气歧管前十阶频率数值对比(Hz)

5 结论

本文针对实际工况下，某型四冲程发动机排气歧管断裂失效问题进行了分析研究。结合发动机排气歧管基本参数及设计原则要求，运用CATIA软件先对发动机排气歧管进行三维建模，再运用ABAQUS软件对该模型进行模态分析，最后得到该发动机排气歧管的前十阶模态固有频率数值，其中一阶模态固有频率数值为97.36Hz，该数值正处在此四冲程发动机正常工作转速范围内所对应的激励频率范围即23.33～100Hz之间，两者数值相似发生共振，从而导致排气歧管失效故障。由此提出优化方案，将原来的HT200灰口铸铁材料更换成SUS304不锈钢材料，对排气歧管模型进行模态对比分析，新材料的排气歧管的固有频率提高到106.47Hz，不在该四冲程发动机激励频率范围内，避免了共振现象的产生。