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耐久性汽车排气系统分析

  【编者按】汽车排气系统是汽车的重要组成部分,其一端与汽车发动机相连,另一侧通过吊钩、吊耳与汽车底盘相连。本文是对汽车排气系统耐久性分析。【参阅新能源汽车技术创新将获得政府资金支持


  汽车排气系统是汽车的重要组成部分,其一端与汽车发动机相连,另一侧通过吊钩、吊耳与汽车底盘相连。从设计角度讲,汽车排气系统都有诸如质保、耐久性要求。排气系统的耐久性与其在使用过程中所受的力载荷有关的。整个排气系统可以分为热端与冷端,其区分一般是挠性节之前部分为热端,挠性节之后的部分为冷端。通常排气系统热端刚度比较大,温度也较高,热端的耐久问题主要由发动机的振动导致;对于冷端系统,由于在热端与冷端之间有挠性节,可以衰减发动机的振动,故排气系统冷端的耐久通常是由路载决定。

  本文运用Altair公司提供的软件模块HyperMesh与RADIOSS对某汽车排气系统冷端消声器出气管断裂进行了分析。

  1 路试数据

  按照机动车辆耐久性要求,汽车本体及各零部件在量产前需要进行各种路面的跑车实验。如图1为某汽车排气系统在完成大约60%规定耐久路面时,消声器出气管断裂图片。


 
图1 某消声器出气管断裂照片

  2 有限元分析

  如图2为某汽车排气系统有限元模型。该模型由一个挠性节、一个消声器、三个吊钩以及排气管组成。其中挠性节用弹性单元模拟,消声器壳体及排气管用壳体单元模拟,实芯吊钩用实体单元模拟。



图2 汽车排气系统有限元模型

  由路试数据知:排气系统发生断裂的位置位于消声器出口端,断裂位置位于挠性节之后,故本计算主要考虑了路载是否是导致其失效的原因。由于汽车排气系统在路试以及将来使用过程中,任意时刻的路载数据是不确定的,故本计算采集了排气系统在最恶劣路试阶段的一组数据,然后对数据进行了处理,进而对排气系统进行随机响应激励下的分析。随机激励通过排气吊耳以及发动机悬置对排气系统进行作用。对于排气系统而言,其各零部件为焊接件,通常发生疲劳耐久失效的位置为焊接区域,故本有限元计算结果提取了各关键部位应力值,如图2中1-9号位置。如图3中的Baseline为在采集的随机激励下各关键部位的最大等效应力值。


 
图3 排气系统随机激励下应力响应

  由计算数据可知:消声器出口端以及吊钩2(图2中7号位置)与管子焊接处应力很大。进一步分析Baseline模型消声器的内部结构发现:Baseline模型中消声器出口管是类似悬臂梁的设计,如图4所示。为了降低消声器出口端管子的受力,提高其耐久特性,在不改变声学特性的基础上将消声器出气管延长到了挡板上,如图5所示。更改后的模型在随机激励下关键部位应力值如图3中Iteration1数据,可以看到消声器出口端应力值下降了72%,而吊钩2所在位置应力值下降不明显,仍然存在耐久失效的风险。为了降低吊钩2与管子焊接处的耐久风险,在吊钩2处增设了支撑吊钩,增设支撑吊钩以及更改消声器出口端设计后随机激励应力响应如图2中Iteration2,可以发现相比Baseline,Iteration2中吊钩处最大应力下降80%。由此,根据相关疲劳理论以及Baseline当前路试数据信息可以判断,本设计可以通过路试要求,排气系统的耐久特性能够被满足。

  
3 结论

  本文以某汽车排气系统消声器出气管断裂事件为研究对象,运用Altair公司提供的相关软件进行分析研究,成功解决了消声器断裂导致的系统失效问题,并通过模拟仿真对排气吊钩进行了优化设计,为该类问题的解决提供了思路。


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