汽车排气系统支架失效模式有限元分析
周新
(上海天纳克排气系统有限公司研发中心，上海， 201814）
摘要：对汽车排气系统发动机EVD试验进行了介绍，运用有限元法结合Altair公司HyperMesh以及OptiStruct软件进行了模态分析与动态响应分析，在此基础上就汽车排气系统支架失效模式进行了分析，得出支架失效是由于其共振所致，该结果与方法对于汽车排气系统部件失效模式的分析与控制有实际指导意义。
关键词：排气系统；有限元法；失效模式
汽车排气系统是汽车上重要的零部件，其承担着汽车尾气的排放以及噪音衰减的任务。长期以来对于汽车排气系统的研究，主要集中在NVH上。随着汽车使用年限的增加以及不断出现的售后问题，排气系统的耐久可靠性已经越来越受到主机厂及零部件供应商的重视，相应的排气系统部件失效模式研究也越来越受关注。
通常，汽车排气系统所受的激励，主要有来自路面与发动机的激励，而发动机激励是排气系统振动的主要振源之一。对于发动机激励，可以采用发动机台架试验或者是路谱采集来获得。但对于排气系统开发前期，发动机标定未做好，整车环境还没有，路谱采集条件不具备，耐久实验无法进行；并且模拟实际路载的相关台架试验成本很高昂。对于排气系统耐久性研究，业内一般采用EVD (Engine Vibration Durability)加速疲劳耐久试验，相对于完全模拟实际路载的台架试验，该实验简单、容易操作，且在复现排气系统部件失效以及验证系统级耐久性方面有很高的可靠度。然而，样件的制作，试验的前期准备均需要很长的时间。
本文正是基于上述出发点采用有限元分析软件HyperWorks对发动机激励下汽车排气系统进行了数值模拟仿真计算，以期减少试验，指导研发。
1 EVD试验介绍
1.1 台架模型
整个排气系统可分为两部分：热端+冷端。热端主要包括岐管、涡轮增压器、催化转化器等；冷端主要包括消声器以及一些排气管、吊钩等部件。如图1为EVD台架试验图，它主要
由一个振动台以及控制软硬件组成，整个排气系统岐管端通过夹具与振动台连接，振动台用来模拟输出发动机激励，可以根据客户要求进行热态与冷态的振动试验。
1.2 试验结果
对于直列4缸发动机而言，发动机二阶惯性激励通常比较大[2]。而对于汽油发动机，发动机最大转速一般在7500rpm 以内，故发动机激励频率在250Hz 以内。如图2为本次试验的激励曲线，其为加速度激励。
图1 台架试验模型
图2 振动台激励曲线
试验中先进行30-220Hz 扫频分析，扫频分析发现该系统在发动机激励为114Hz 时，挠性节前与催化转化器连接的支架响应较大；接着采用114Hz 定频激励，试验支架在振动2h 后发生断裂，断裂位置如图3所示，为支架与夹具连接端。
图3支架断裂位置
2 有限元分析
2.1 有限元模型
针对于试验2h 发生断裂的问题，对此系统进行了有限元分析，以期复现失效模式。如图4所示为排气系统有限元模型。其中，法兰、岐管、涡轮增压器，吊钩等采用实体单元建模，消音器以及排气管等薄壁结构采用壳体单元模拟，挠性节以及橡胶吊耳采用弹性单元模拟。
图4排气系统有限元模型
2.2 有限元分析结果
分析中，首先进行了模态分析，如图5为排气系统在108Hz时的模态振型图，由图可知该系统在108Hz时存在一个支架的振动模态，且在该频率附近，再没有其它的支架振动模态，说明试验中的失效，可能是由于支架共振导致的耐久性降低造成。为了验证上述观点，在有限元模型中输入了如图2所示加速度曲线进行扫频激励，得到支架在107.8Hz激励处应力云图如图6所示，最大应力发生的位置与试验失效位置一致，并且失效处频率与模态分析共振频率接近，说明此支架失效是由于支架共振导致的耐久性问题。
图5排气系统模态振型图图6排气系统应力云图
汽车消音器3 结论
本文对汽车排气系统承受发动机激励下的动态响应进行了试验与有限元分析，分析结果表明：排气系统支架的失效是由于支架的共振所致，同时也表明有限元分析在模拟发动机激励、汽车排气系统耐久性方面能起到很大的指导作用。
4 参考文献
[1] Z.Junhong, H. Jun, CAE process to simulate and optimize engine noise and vibration
[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006,20: 1400-1409.
[2] 张光荣，于德介，姚凌云，臧献国. 发动机激励引起的车内结构噪声研究[J]. 噪声与振
动控制，2010,2 :44-47
[3] Ford Company, PL011 -Complete System Cold Vibration Test Procedure [S]. 2001,04 : 1-6
Failure Mode FEA of a Vehicle Exhaust Bracket Abstract: EVD test of a vehicle exhaust system is introduced as well as a bracket failure mode is studied using finite element metho
d via HyperMesh software and OptiStruct solver, in which modal analysis and dynamic response analysis is done. It concludes that the failure of the bracket is caused by its resonance. The result and method above may be helpful for analyzing and controlling failure modes of the vehicle exhaust system’s components.
Key words: Vibration and wave; exhaust system; finite element method; failure mode
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