10.16638/jki.1671-7988.2017.14.026
催化器隔热罩优化设计
杜鹏，阮仁宇，倪成鑫
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章基于有限元法对某发动机的催化器隔热罩进行了模态分析，并通过增加固定点的方式对隔热罩的模态进行了提升，计算结果显示，优化后的隔热罩一阶模态值从132.6Hz提升到232.89Hz，结果满足评价指标。
关键词：隔热罩；模态分析；一阶模态频率
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-77-02
Optimum Design on Catalyst Heat-shield
Du Peng, Ruan Renyu, Ni Chengxin
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )
Abstract: The article had a modal analysis on catalyst heat-shield of a certain engine based on finite element method. It is by adding fixing points that first order modal frequency of heat-shield was improvement. The results showed that first order modal frequency increased from 132.6Hz to 232.89Hz after heat-shield was optimized. At last it met the evaluation standard. Keywords: Catalyst Heat-Shield; Modal analysis; First Order Modal Frequency
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-77-02
前言
安徽江淮汽车在某发动机可靠性试验过程中，当试验进行到约150小时后，发现催化器隔热罩变形脱落。催化器隔热罩主要作用是对三元催化器进行隔热处理，由于排气歧管排出的废气温度较高，且由于三元催化器是良好的热导体，这样就会导致三元催化器的温度比较高，为了壁面三元催化器周围的橡胶件因为高温而老化、失效，一般在三元催化器外面设置一个隔热罩。由此可见，隔热罩设计的优劣，直接影响发动机的正常运行。
本文将基于有限元法，对隔热罩的模态进行分析，出隔热罩变形脱落的原因，并对其进行优化设计。
1 有限元分析
1.1材料属性参数
有限元模型分析所需材料属性如表1所示，其中增压器按模型质量属性赋予材料密度，其余模型均按赋予网格模型材料后获得质量。
表1材料属性表
1.2 建立计算模型
图1有限元网格模型
作者简介：杜鹏，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
杜鹏等：催化器隔热罩优化设计78 2017年第14期
前处理软件采用HyperMesh，有限元计算模型如图1所示。隔热罩的网格单元类型设为壳单元STRI65，其余单元网格类型为C3D10，并应用Abaqus6.14进行求解计算。模态计算时，各接触面设置为绑定约束。
由于分析过程为约束模态，分析模态前需固定边界的X、Y、Z方向，如下图2所示。
图2 分析步及模型边界条件
1.3原方案模态计算结果
通过计算可以得到隔热罩的一阶模态值（如图3所示）。从计算结果来看，整个后处理系统一阶模态仅为132.6Hz，而该发动机最大持续超速转速（5600rpm）的点火频率为186.7Hz，根据评价标准，要求一阶模态值必须大于最大持续超速转速对应的点火频率的1.2倍，即224Hz。因此，一阶模态值偏低是隔热罩变形脱落的主要原因，必须对其模态结果进行优化。
图3原隔热罩一阶模态
2 优化设计
2.1 优化设计方案
根据前面的计算结果，为提升模态，在两块隔热罩之间增加固定点，如图4所示。
图4隔热罩变更方案
2.2优化方案模态计算结果
隔热罩优化方案的一阶模态值如图5所示。从计算结果来看，通过修改隔热罩的固定方式，使整个后处理系统一阶模态由132.6Hz提升到232.89Hz，满足大于最大持续超速转速（5600rpm）的点火频率（186.7Hz）的1.2倍(224Hz)的评价指标，可以接受。
图5改进后的隔热罩一阶模态
3结束语
本文基于有限元算法，对某隔热罩的一阶模态进行了提升，使整个后处理系统一阶模态由132.6Hz提升到232.89Hz，满足大于发动机最大持续超速转速（5600rpm）的点火频率186.7Hz的1.2倍(224Hz)的评价指标，可以接受。
另外，对优化后的催化器隔热罩重新做了可靠性试验，未再发生隔热罩脱落现象，优化效果明显。
参考文献
[1] 陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京：人民交通出版社. 2002,6.
[2] 范习民等. 某汽油机排气歧管隔热罩优化分析[J].  机械工程师,
2014（11）.