（动力机械及工程专业论文）汽车排气系统结构强度及焊接疲劳分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：茑垒壶一一日期：_ 2 丑习 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签鼽拗分聊c 签鼽5 哗日期，小巧 摘要 汽车排气系统是车辆的重要组成部分，负责发动机尾气排放。它的降噪、 尾气净化和压力损失等问题已受广泛的关注，但其结构强度和焊接疲劳耐久性 却没有引起足够的重视，已经逐渐成为人们关注的重点。鉴于国内排气系统在 这方面研究较少，与国外同期研究水平差距极大，所以，有必要加强该领域的 研究，以尽快弥补我国在这方面的不足，所得到的研究成果将对该领域有一定 程度的补充，可作为排气系统早期研发设计的重要参考。 本文针对排气系统结构的弹性悬挂和刚性连接多自由度复杂的特点，结合 排气系统的结构设计，根据排气系统各个部分的特点，对其进行简化，在 h y p e r m e s h 软件中完成了某车型排气系统有限元网格划分及模型建立。同时对排 气系统在各种工况下进行加载，完成了汽车排气系统的静力分析。 分别对车辆排气系统在自由状态和约束状态两种边界约束条件下的振动情 况进行模态分析，得到了系统在各阶模态下的主要固有频率和振型。然后，通 过实验模态分析获得了车辆排气系统在这些状态下的振动固有频率及振型，通 过仿真和试验结果相比较，可知相对应的各阶固有频率和振型基本吻合，说明 了该排气系统的挂钩位置分布比较合理，同时也反映了该系统的有限元计算模 型的置信度较高。为了进一步验证验证悬挂位置的合理性，进行了排气系统动 力分析，获得挂钩的传递力十分合理，表现出其结构强度较高以及整体结构设 计比较好。 排气系统焊接疲劳失效最易发生处为消声器部分，因此消声器的焊接疲劳 寿命对整个排气系统的使用寿命有重大的影响。基于高准确度的计算模型，对 排气系统消声器模型施加载荷后在n a s t r a n 中完成了其应力分析，获得了排气 系统消声器的应力分析结果。然后将该结果导入到m s c f m i g u e 中，完成材料 s n 曲线和载荷特性的设定后，利用损伤累积理论对排气系统消声器进行了焊接 疲劳寿命分析。根据应力和疲劳分析结果云图可知应力较大处和寿命较低处能 基本吻合，且都在焊缝处，通过分析结果得到排气系统的疲劳耐久性十分可靠， 满足要求。 关键词：汽车排气系统，有限元法，模态分析，焊接疲劳寿命 a b s t r a c t e x h a u s ts y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to fv e h i c l ew i t hi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e p r o p u l s i o ns y s t e mf o rd i s c h a r g i n ge x h a u s tg a sf r o me n g i n e t h o u g hp e r f o r m a n c e so f a c o u s t i c s ，e x h a u s tp u r i f i c a t i o na n dp r e s s u r el o s so ft h ee x h a u s ts y s t e mh a v eb e e n w i d e l yi n v e s t i g a t e d ，i t ss t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dw e l df a t i g u ed u r a b i l i t yh a v e n tb e e n a t t r a c t e de n o u g hr e s e a r c ha t t e n t i o n , a n dh a v eg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n i nv i e wo ft h el e s ss t u d yo fe x h a u s ts y s t e mi nt h i sr e s p e c tl e s sd o m e s t i c ，a n dt h eg r e a t g a pb e t w e e nt h el e v e lo fr e s e a r c ho v e rt h e 船f f n ep e r i o da b r o a d , s oi t sn e c e s s a r yt o s t r e n g t h e nr e s e a r c hi nt h ef i e l dt om a k eu pd e f i c i e n c i e si ns h o r tt e r m ，r e s e a r c hr e s u l t s o b t a i n e di nt h ea n a l y s i sw i l la d dac e r t a i ne x t e n tt ot h i sf i e l d ，a n di tc a nb et h e i m p o r t a n tr e f e r e n c e so ft h er e s e a r c ha n dd e s i g no f t h ee x h a u s ts y s t e m i nt h i sp a p e r , b a s e do nam u l t i - d o ff e a t u r e so fe l a s t i ch a n g e r sa n dr i g i d c o n n e c t o r so ft h ee x h a u s ts y s t e m ，c o m b i n e dw i 廿lt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ee x h a u s t s y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h ee x h a u s ts y s t e m ，a n d s i m p l i f yi t , c o m p l e t e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e s h i n ga n dm o d e l i n go fa v e h i c l ee x h a u s t s y s t e mi nh y p e r m e s h m e a n w h i l e ，t h el o a d i n go ft h ee x h a u s ts y s t e mi nav a r i e t yo f c o n d i t i o n sh a v eb e e na p p l i e dt oc o m p l e t et h ec a re x h a u s ts y s t e ms t a t i ca n a l y s i s i nt h i sp a p e rt oa n a l y z et h em o d a lo ft h es y s t e mi nb o t hf r e ea n dr e s t r i c t e ds t a t u s ， a n dg e tt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ea m p l i t u d eo fe v e r ym o d a l t h e n ，l e a r nt h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n ga m p l i t u d e so ft h es y s t e mb ye x p e r i m e n t a lm o d a l a n a l y s i si nt h o s es t a t u s ，a n dc o m p a r et h e mw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t e da n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s h o wt h a tt h ec o r r e s p o n d i n gn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e s h a p e sa r ec o n s i s t e n t ，a n di n d i c a t et h a tt h ed i s t r i b u t i o no nh a n g e rl o c a t i o n so ft h e e x h a u s ts y s t e mt oam o r er e a s o n a b l ep o s i t i o n ，b u ta l s or e f l e c tt h es y s t e m sf i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h eh i ：g hd e g r e eo f c o n f i d e n c e t of u r t h e rv e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s s ， t h ea n a l y s i so fd y n a m i ca n a l y s i so fe x h a u s ts y s t e mi sc a r r i e do u ta n dt h et r a n s f e r f o r c eo ft h eh a n g e r sa r ev e r yr e a s o n a b l e ，s h o w i n gt h es t r u c t u r eo fh i g h e rs t r e n g t ha n d b e t t e ro v e r a l ld e s i g n b e c a u s et h em o s tp r o n et ow e l d i n gf a t i g u ef a i l u r el o c a t i o no fe x h a u s ts y s t e mi s a tt h em u f f l e r , t h ef a t i g u el i f eo f w e l d e dm u f f l e re x h a u s ts y s t e mh a v eas i g n i f i c a n t u i m p a c to n t h el i f eo ft h es y s t e m f i n a l l y , b a s e do nt h eh i g ha c c u r a c ym o d e l ，t h es t r e s s a n a l y s i sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nn a s t r a n ，a n do b t a i n e dt h es t r e s sa n a l y s i sr e s u l t s f r o ms t r e s sa n a l y s i sa f t e ra p p l i e dl o a do nt h ee x h a u s ts y s t e mm o d e l t h e nt h er e s u l t s w e r ei m p o r t e di n t om s c f a t i g u e ，a n dc o m p l e t e dt h ef a t i g u el i f ea n a l y s i so ft h e m u f f l e ru s i n gc u m u l a t i v ed a m a g et h e o r ya f t e rs e tm a t e r i a ls - nc u r v ea n dp o s t - l o a d c h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e s sa n df a t i g u ea n a l y s i ss h o w st h a tl a r g e s t r e s si sc o r r e s p o n d i n gt ot h el o wl i f e ，a n do c c u r r e di nt h ew e l d s ，t h er e s u l t so b t a i n e d b ya n a l y z i n gt h ef a t i g u ed u r a b i l i t yo ft h ee x h a u s ts y s t e mi sv e r yr e l i a b l e ，a n dm e e t i n g t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee x h a u s ts y s t e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m o d a la n a l y s i s ，w e l d f a t i g u el i f e i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 排气系统概述1 1 2 研究的背景与意义2 1 3 汽车排气系统结构强度和焊接疲劳发展现状3 1 4 研究目的和主要内容一7 1 4 1 研究目的7 1 4 2 主要研究内容8 第2 章排气系统焊接疲劳理论基础9 2 1 焊接结构的疲劳问题1 0 2 2 材料的疲劳特性与失效准则1 l 2 2 1 材料的s - n 曲线1 1 2 2 2 疲劳累积损伤理论1 3 2 3 疲劳寿命估算方法1 7 2 3 1 名义应力法1 7 2 3 2 局部应力应变法1 9 2 4 焊接疲劳分析方法的确定j 2 1 2 5 本章小结2 1 第3 章排气系统的静力分析：2 2 3 1 有限元法的理论2 2 3 1 1 有限元法的概况2 2 3 1 2 有限元法的基本方法2 3 3 2 排气系统有限元模型的建立2 6 3 。2 1 排气系统几何模型2 6 3 2 2 排气系统模型的简化2 7 3 2 3 有限元网格的划分2 8 3 3 排气系统的结构静力分析2 9 3 3 1 材料的参数设定2 9 3 3 2 排气系统的预载力分析3 0 3 3 3 排气系统2 8 工况分析3 0 3 4 本章小结3 5 第4 章排气系统的振动分析3 6 4 1 概述3 6 4 1 1 模态分析技术的发展3 6 4 1 2 模态分析技术的应用3 7 4 1 3 模态分析基本理论3 8 i v 4 2 排气系统模态分析3 9 4 2 1 排气系统自由模态仿真与实验分析3 9 4 2 2 排气系统全约束模态仿真与实验对比4 6 4 3 排气系统动力分析5 0 4 4 本章小结5 1 第5 章排气系统焊接疲劳分析5 2 5 1 概述5 2 5 2 m s c f a t i g u e 疲劳软件简介5 2 5 3 消声器焊接疲劳分析5 4 5 3 1 疲劳分析的总体流程5 4 5 3 2 主、副消声器应力计算5 6 5 3 3 主、副消声器焊接疲劳分析5 8 5 4 本章小结6 0 第6 章总结与展望6 l 6 1 全文总结6 l 6 2 工作展望6 2 参考文献6 3 致谢6 6 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录6 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 排气系统概述 第1 章绪论 汽车排气系统一般由法兰、催化器、波纹管、消声器、中间连接管、尾管、 挂钩等部件组成，主要有两大功能： ( 1 ) 废气处理。当可燃混合气在发动机内燃烧后，产生的废气要排放到 大气中。由于燃烧不完全，排出的废气中一般含有一氧化碳、碳氢化合物、氮 氧化合物等有害物质。这些有害物质严重危害人体的健康以及造成空气污染， 必须经过处理才能排放到大气中。汽车排气系统中通常都安装了一个或者多个 三元催化器，从发动机气缸内排出的高温废气经过三元催化器发生化学反应 后，将废气中的有害物质转化为无害物质，然后经过排气管道排入大气中。 ( 2 ) 降低噪声。发动机在燃烧过程中会发出极大的噪声，同时气体和声 波在管道中摩擦也会产生噪声n 3 。在汽车排气系统中一般都装有两个消声器： 主消声器和副消声器。副消声器主要是针对一些特定的频率进行消声，大部分 为抗性消声器。主消声器可以是抗性消声器也可以是复合消声器，其主要是用 来有效地消除高、中、低频带较宽的噪声。 排气系统的噪声源包括以下四种：一是冲击噪声；二是空气噪声；三是气 流摩擦噪声；四是辐射噪声。 冲击噪声是排气系统管道中气体的冲击产生的，是由于管道内不稳定的气 流冲击管道而形成的噪声。排气系统冲击噪声的大小不仅受到管道过渡圆弧的 直接影响，而且与结构的变截面积有密切关系。 空气噪声是从排气管道中发出的，是由于发动机在运动的时候产生的压力 波传播而形成的噪声。空气噪声的稳定程度与排气系统管道的直径有密切关 联，如在气体流量不变时，直径越小就越不稳定。同时排气系统的结构直接决 定空气噪声的大小。 气流摩擦噪声是气体在排气管道中高速流动时，一方面流体与壁面之间的 摩擦形成紊流，并扰动板振动产生辐射噪声，另一方面当高速气体通过尾管排 入空气中产生巨大的噪声。在排气系统的设计中，一般通过改变排气系统管道 中的横截面积、壁面光滑度、气体的流速以及采用吸声材料等方法来改变气体 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦噪声。 辐射噪声是排气系统中各种受振结构对外将声音辐射出去产生的噪声。辐 射噪声中受振动的结构一般为管道和消声器元件，其振动的激励源通常是机械 振动或者管道内部流体压力的波动。影响辐射噪声源有三种因素：( 1 ) 管内的 不稳定气流；( 2 ) 排气系统的机械振动；( 3 ) 环境稳定的空气气流。辐射噪声 的大小与结构的几何尺寸、形状、刚度和强度等有密切关联。 目前，已经有大量的研究文献对排气系统的噪声分析、背压分析和排放分 析进行描述，但相对而言，对排气系统的结构强度和焊接疲劳寿命分析的研究 较少1 。为了全面深入地评价排气系统的各项性能，排气系统的结构强度和焊 接疲劳是本文研究的重点。 1 2 研究的背景与意义 随着经济的快速发展和汽车市场的激烈竞争，汽车工业得到了国家的高度 重视，已成为国民经济重要支柱产业之一。我国的新车市场较为庞大，由于城 市机动车辆的大幅增加导致城市道路交通越来越拥挤，道路噪声污染已严重影 响人们的日常生活。据资料显示，城市环境噪声的百分之八十以上是来源于汽 车，已成为环境噪声的最大污染源。汽车噪声严重污染着城市环境以及影响着 人们的生活、工作和身体健康，所以对它的控制，不仅有利于乘客乘坐的舒适 性，而且还关系到环境保护。 目前，汽车噪声已成为危害城市环境的重要来源，因此国家对它的要求也 越来越严格。为了解决这个问题，国家制定了强制性噪声标准，同时汽车产业 也有相关政策明确规定了不能销售和使用排气噪声未达国标的汽车产品，因此 各大汽车生产商急需解决的一个重要问题就是降低汽车噪声。 汽车排气噪声是产生汽车噪声的主要来源之一，因此降低排气噪声是控制 汽车噪声的主要方式，而在汽车上安装排气系统是降低汽车排气噪声的一种最 直接有效的方法。就现阶段而言，国内汽车企业要想技术上在行业内具有足够 的竞争力，必须将自主设计研发各种汽车零部件的能力作为其重要发展战略， 然而要实现这个目标，应选择适当的汽车零部件和关键技术作为突破点，而汽 车排气系统就是一个不错的选择。 汽车排气系统是车辆动力系统不可缺少的重要组成部分，它不仅保证车辆 2 武汉理工大学硕士学位论文 发动机所排出废气的污染物指标达到各地的环保要求，而且与整车振动和噪声 性能密切相关，其结构强度、舒适性和耐久性设计己成为各种车型开发中关注 的焦点。 汽车排气系统通过前端法兰固定在排气歧管法兰上，并通过橡胶吊耳将排 气系统和车体相连接。由于汽车在行驶过程中受到各种工况的作用力，排气系 统必然产生剧烈的振动。当排气系统受到各种工况下的交变力时，结构中具有 较小弧度的弯曲焊接部分很容易形成应力集中。当应力长时间得不到消除并不 断积累时，就会导致焊接部分产生裂纹甚至断裂。因此，考虑排气系统的焊接 疲劳寿命就成为了排气系统耐久性研究的一个关键问题。 1 3 汽车排气系统结构强度和焊接疲劳发展现状 随着社会和经济的快速发展，人们对汽车相关系统和零部的要求越来越严 格，工作在恶劣条件下的汽车排气系统结构强度和焊接疲劳寿命很自然地受到 不断重视，成为了重点关注对象。通过排气系统静力分析可以知道该车辆排气 系统各橡胶吊耳处受力是否相对均匀，系统与底盘是否发生碰撞以及系统的最 大位移和应力是否均满足设计要求。通过排气系统模态分析得到各阶固有频率 来判断挂钩位置是否合理以及尽量避免排气系统在各种工况下产生共振现象， 并通过排气系统的动力分析，进一步了解挂钩位置分布的合理性，且这些都取 决于排气系统的结构强度。 目前，国内一些学者对排气系统的结构强度进行了相关研究，已有部分研 究应用在汽车零部件的制造和开发中。吴永桥等对排气系统结构强度的研究比 较简单，进行了相关的静力分析和模态分析随1 。邢素芳等不仅对柴油机的排气系 统进行了有限元模态仿真分析，且与模态试验方法相结合进行了对比研究1 。姜 再彬利用梁单元对排气系统进行简化，并基于有限元方法进行了模态分析，同 时探讨了排气系统与发动机的合理连接方式m 。章联萍根据汽车企业实际设计工 作经验，提出了客车排气系统各种零部件在设计研发中应该全面考虑的各种问 题，并针对排气系统设计和安装中可能出现的每一种问题作了较详细地说明旧。 杨万里等分别建立了乘用车排气系统的完全网格和简化网格有限元模型，并对 比研究了两种情况下其约束模态分析数值结果，选取了比较符合实际结构的简 化有限元网格模型，通过进一步模态分析，获得了该排气系统的最佳吊挂位置脚。 3 武汉理工大学硕士学位论文 马开柱等用有限元分析的方法对汽车排气系统传递到车体振动过大的问题进行 模态分析，发现排气系统选择的吊挂位置不适当n 0 1 。通过合理改变排气系统的悬 挂点的位置，减小了排气系统对底板的振动影响。 相比较国内，国外已能借助试验方法来验证排气系统结构强度c a e 分析的 结果，并已取得许多实质性的研究成果，如l i n g 等对排气系统进行简化，进行了 静力和模态分析，并在此基础上，对橡胶吊挂的刚度进行了优化设计1 。j u h a p l u n t 基于排气系统的c a e 模型并结合传递路径法对其进行了振动与噪声问题的 研究n 。m u r a l im r k r i s h n a 基于有限单元法并利用顺序藕合法对排气系统的隔 板进行了声场分析n 阳。p a n g 等介绍了排气系统的噪声、振动、疲劳和排放设计的 基本规范，总结了排气系统的模态分析、动力学分析、振动传递函数和敏感度 分析设计要点，探讨了排气尾管长度对噪声的影响，同时还定义了对于不同车 辆的排气系统其各种接口的传递函数，但其具体的表达式并没有给出n 射。e a d s 等介绍了对排气系统的吊挂元件如何进行简化以及给出了其力学表达方法，并 运用振动原理与优化方法对排气系统进行分析，同时为了使排气系统的有限元 模态计算精度得到进一步的提高，对系统弹性结构的参数提出了更合理的简化 方法n 引。s t o r c k 等对排气系统进行试验模态分析作了详细地介绍，并针对试验模 态分析给出了三种不同方面边界条件的模态模型：一是自由模态；二是安装和 边界约束模态：三是装载约束模态，同时讨论了如何进行选择实验模态的坐标 系n 们。f a n g 等对排气系统的多个构件运用有限元非线性理论进行了简化，且在 网格划分过程中，采用壳单元划分排气管，采用刚性单元模拟焊接部份，采用 粱单元来简化橡胶吊耳和波纹管，建立了排气系统的有限元计算模型，进行模 态分析后得到的结果与试验结果基本吻合n 7 1 。c h a n g m y u n gl e e d 等做过关于使 用简化了的排气系统有限元模型对其振动模态及频率响应的研究。其主要目的 是为了验证用b a r 单元简化排气系统中排气管后，有限元方法( f e m ) 模拟计 算出排气系统真实的振动模态振型与频率是否有效，并且通过验证可靠的模型 进行调解整个排气系统的各部件的刚度、阻尼以及质量分布等来提高系统的可 靠性n 酊。另外，n i sm o l l e r 等也发表了排气系统约束模态的相关论文，对如何采 集排气系统在试验约束状态的系统模态参数给出了全面系统的实验方法。包括 采集点如何进行设置、加速度传感器位置及方向如何进行布置和在排气系统上 如何进行激励点的设置与采用哪种模态测试激励方法n 们。由于排气系统的研发得 到了足够的重视，同时相关的计算分析软件功能也越来越强大，所以其前期开 4 武汉理工大学硕士学位论文 发过程变得越来越简单、快捷和有效。 对于与焊接结构强度密切相关的排气系统疲劳寿命耐久性研究，在国内外 都受到了广泛关注，并设立了相关的专题性研究。但国内焊接疲劳寿命研究， 由于计算及理论的不完善、实验手段的缺乏、试验设备和计算软件没有具备要 求等原因，研究的难度很大，对排气系统进行焊接疲劳分析和试验的研究也较 浅。因此对于排气系统的焊接疲劳寿命研究，可作为汽车企业自主研发的重要 关注点。 在排气系统焊接疲劳寿命方面，自上世纪九十年代以来，国外许多学者和 研究单位在其疲劳耐久性设计方面，进行了很多相关方面的研究。由于国外在 排气系统的焊接疲劳起步较早，有很长的时间积累和经验，且将仿真分析和试 验结果相比较，因此能够很好地用试验验证仿真分析并用仿真分析指导试验， 两者能很好地结合起来。如c f i s t i a n ad e l p r e t e 等人对排气歧管进行热结构应力的 模拟分析，并根据计算结果的应力分布讨论了在最大热应力产生的热疲劳下排 气歧管的易损位置。i f e m a n d e z 等人完成了排气系统重要焊缝的耐久可靠性预 测，并对影响其疲劳寿命的主要参数进行了讨论乜1 1 。g u yl e d e r e r 等人基于有限 元方法建立排气歧管的热疲劳分析模型，通过仿真分析结果获得了排气歧管的 最易失效位置与整体的最小疲劳寿命渤1 。v l a d i m i ro g a r e v i c 对汽车各个部件进行 了热疲劳研究，讨论了在各种条件下其损坏评估的方法啪1 。d a v i df a n 等人采用 等效损伤累积理论，对排气催化转化器施加垂向和侧向的采集谱激励，成功地 完成了其疲劳台架试验幢 。j r c l a m 等人进行讨论了汽车排气系统波纹管的疲劳 失效机理位胡。r a l f w o h r m a n n 采用有限元方法对排气歧管进行了疲劳寿命模拟预 测，并通过对比模拟计算结果与试验分析数据，对其结构进行了合理地优化嘲。 在排气系统材料应用领域，国外也取得了较多的研究应用成果，如n r e n a u d o t 等人对排气系统的焊接部分采用新型4 3 0 l n b 铁素体材料，并讨论了其焊接疲劳 寿命耐久性问题瞳7 1 。s u n gh w a np a r k 等人详细介绍了采用热阻合金排气歧管的发 展情况，并研究了在高温条件下低周疲劳排气歧管合金的特有疲劳属性嘲。 a t s u s h im i y a z a k i 等人也讨论了在承受高温气体冲击条件下排气系统采用的金属 材料的疲劳寿命问题例。同时国外汽车企业在疲劳寿命这方面也有颇多投入，并 在相关方面取得了许多研究成果，如日本丰田汽车工业公司的y o s h i m a s a w a t a n a b e 对不锈钢排气歧管进行了有限元热疲劳寿命分析。日本日产汽车制 造公司的n a o h i s am a m i y a 等人基于c f d 分析软件进行模拟了最初设计的发动机排 武汉理工大学硕士学位论文 气歧管温度分布，并采用有限元方法对其进行了疲劳寿命预测，且相比较模拟 计算结果和试验结果，可以得到两种结果十分吻合，由此可知这种方法将改善 排气歧管设计质量，降低开发成本和时间m 1 。美国福特汽车制造公司的 m h a z i m e 采用热结构疲劳寿命的评估方法且结合有限元非线性瞬态理论对汽 车排气歧管铸造件进行热结构疲劳寿命分析，并与试验结果进行比较，得到较 高的相符程度恤1 。m a h m o u da w a d 等人对回归模型的疲劳寿命进行了评价，并将 定量和非定量模型与随机疲劳模型进行了比较汹1 。这里只举出几个公司的研究 而已，还有很多其他大型汽车制造公司以及汽车零部件生产商通过组建强大的 研究团队，并花费大量的物力来对汽车排气系统及其他零部件的疲劳寿命特性 也作了大量的研究。经过不懈的努力，有的企业对排气系统的抗疲劳结构设计 提出了新的方法，如等寿命设计原则。同时这些企业的大量研究工作对汽车排 气系统的结构疲劳寿命耐久可靠性分析的发展起到了极大地促进作用。国外由 于长期从事这方面的研究工作，己经具有较为完善的理论基础，对工程实际路 线有很强的研究指导作用，还有一些先进的汽车制造厂家已经将汽车排气系统 的寿命设计规定为产品开发过程中的必要内容。 相比较国外，国内的排气系统焊接疲劳分析及技术研发能力还比较薄弱， 相比国外而言明显落后。尽管国内很多学者和科研机构对排气系统的结构疲劳 耐久性的研究不曾间断，但由于试验设备、试验手段和试验方法等因素，总体 水平还比较低。直到近些年，汽车排气系统的疲劳寿命分析和设计才慢慢被人 们所重视，也逐渐成为了行业中的热门研究领域。中国汽车技术研究中心、上 海交通大学、重庆大学、合肥工业大学等各大高校、研究所和汽车企业都着手 于这些方面的研究。其中庞健对汽车排气系统的疲劳耐久性进行了研究，并指 出了耐久性的明确指标，即材料的许用热应力应小于许用应力，也可以描述为 许用应力大于许用结构应力的均方根值n 。曹丞采用有限元方法对排气系统的橡 胶吊耳进行简化，建立了排气系统的疲劳耐久性计算模型，并对橡胶吊挂进行 约束和准确加载的施加，完成了系统结构疲劳的预测泓1 。上海交通大学的张建武 教授对排气系统的模态振动有较深入的研究，同时哈尔滨工业大学的季振林教 授在排气系统的振动与噪声方面也有较多的研究成果，为系统结构疲劳寿命的 分析研究提供了可靠的计算模型以及完成了很好的先期工作汹，。山东理工大学的 石莹等人利用有限元方法完成了汽车消声器悬挂连接件的静力分析，并根据计 算结果中连接件的应力分布研究了早期疲劳损坏失效的问题，并对其提出了改 6 武汉理工大学硕士学位论文 进的设计方法，为我国在排气系统疲劳寿命预测方面提供了新思路，极大地促 进了疲劳研究工作的发展嘲。同时我国汽车制造企业也在这方面引起了重视， 上汽通用有限公司、吉利汽车有限公司的相关部门都进行了这方面的研究并己 取得一定成果m 1 。但国内在该方面能够用于指导工程实际情况的研究成果并不太 多，特别对于中小型汽车企业，由于市场的激烈竞争使汽车企业及零部件制造 商在排气系统的开发过程中，为了减轻重量、节约成本，在排气系统的疲劳寿 命分析和试验研究方面明显受到制约，也不会投入大量的资金与时间来进行研 究。 由于高昂的试验费用和很长时间的试验周期，使得大多数汽车制造企业不 愿在排气系统焊接疲劳寿命这方面投入很多的时间和研发经费，但国内还比较 少有关有限元分析技术对排气系统受动载荷作用下的焊接疲劳寿命仿真分析的 研究。于是本文基于有限元方法对正弦交变作用力下排气系统的焊接疲劳寿命 进行仿真模拟，能够很好地指导排气系统的前期设计与开发，验证其疲劳强度 的耐久性以及结构强度的可靠性，可以大大缩短开发周期，提高开发效率，降 低试验费用。 1 4 研究目的和主要内容 1 4 1 研究目的 总结国内的研究状况，采用有限元分析技术完成排气系统的结构强度和疲 劳寿命分析己逐渐用于辅助工程实际，但应用于排气系统的焊接疲劳分析的确 不足，主要原因是：没有统一的理论分析依据，建模处理及载荷施加。 目前，排气系统设计过程中逐渐采用了有限元分析方法，仿真技术的引入 有助于缩减产品的开发周期，降低生产成本和风险。因此，本文研究主要工作 是基于有限元分析技术，根据某车型排气系统的c a d 模型得到有限元模型，通 过对有限元模型施加与实际工况相接近的边界条件，进行结构应力分析、振动 分析和焊接疲劳寿命分析，进而根据分析结果判断该排气系统的各项性能是否 满足设计要求。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 主要研究内容 本文主要研究内容集中进行结构有限元静力分析、振动特性模态仿真以及 焊接疲劳寿命分析，从而达到减小汽车排气系统的共振发生概率，降低悬挂件 的在车辆工作过程中的振动幅度，预测焊接部分最大应力处的疲劳寿命，为整 个排气系统耐久性提供可靠的保障。具体工作内容如下： ( 1 ) 在u g 软件中完成汽车排气系统三维模型的建立。 ( 2 ) 获取排气系统模型参数，根据排气系统各个部分的特点，对其进行简 化，确定单元类型，同时确定边界条件，在h y p e r m e s h 软件中建立排气系统在 各种情况下c a e 分析所需的有限元模型。 ( 3 ) 根据排气系统的各种实际工作状态，对分析过程中的边界条件分别进行 合理设定，尽量模拟出排气系统在各种工况情况下的受力情况进行加载，在 h y p e r m e s h 软件中完成汽车排气系统的静力分析。 ( 4 ) 根据汽车排气系统的动态特性要求，对其进行振动分析，为了验证排 气系统的悬挂位置是否合理，进行了自由模态分析和约束模态分析，并通过对 比计算模态结果和实验模态结果。为了进一步验证悬挂位置的合理性以及有限 元计算模型的置信度，进行了排气系统动力分析。 ( 5 ) 根据疲劳分析的理论，阐明分析依据以及分析过程中各个环节的内在联 系，制定合理的排气系统分析流程，进行其焊接疲劳寿命分析。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章排气系统焊接疲劳理论基础 焊接结构是最易产生疲劳失效的部位，其主要原因有以下几点：( 1 ) 从焊 接结构的客观特点来讲，焊接接头一般比母材具有更强的静载承受能力；但当 其受到交变动载荷作用时，母材的承受能力却远远高于焊接接头，且其结构强 度不仅与焊接接头类型有密切的关系，而且受到焊接结构形式的影响，这是导 致焊接结构过早疲劳失效的一个主要因素：( 2 ) 对于最初设计的焊接结构主要是 考虑其静载强度的承受能力，但对于其抗疲劳设计不仅没有考虑，而且也没有 统一规范焊接结构疲劳设计理论和标准，所以早期的很多焊接接头在现在看来 出现了许多不合理的地方；( 3 ) 由于实际工程的焊接结构十分复杂，工程设计 技术人员并不能够完全了解焊接结构的疲劳机理以及如何进行抗疲劳设计，所 以通常利用其它金属结构的抗疲劳设计准则和结构形式来对焊接结构进行设 计；( 4 ) 目前，焊接结构已经越来越广泛地使用于汽车、机械、航空等领域， 人们通过盲目降低焊接结构的成本来追求更多利润，在设计和制造过程中尽量 减轻质量，使焊接结构承受着远远大于人们期望的设计载荷；( 5 ) 焊接结构的 发展趋势慢慢倾向于高速重载方向，对焊接结构的设计不再仅仅依据静强度而 越来越严格要求其动载承受能力，而相对滞后科研水平难以保证焊接结构疲劳 强度的可靠性。 焊接接头焊趾处的疲劳强度远远低于母材，其原因在于焊缝缺陷、应力集 中和残余应力的作用，所以焊接接头的疲劳性能直接影响到其结构的疲劳强度， 即焊接接头抗疲劳性能，决定着焊接结构的安全可靠性。 在实际结构中，有以下两种因素对焊接接头疲劳强度产生影响： ( 1 ) 母材的几何结构、加工状况以及承受载荷等疲劳强度的影响因素。 ( 2 ) 焊接结构的焊缝金属组织发生改变与焊接残余应力等特有属性的变化。 对于焊接结构来说，焊缝金属静强度与母材静强度对焊接接头的疲劳强度 并没有什么影响，同样焊缝金属强度匹配与热影响区的组织性能对它也没有多 大关系，这就是所谓的只要焊接接头的细节一样，其疲劳强度可靠性不管是高 强度钢还是低碳钢都是一样的，即他们材料s - n 曲线是一样的。这个理论对于 各种接头形式都适用，如不同形式的角接接头、各种类型的对接接头和焊接梁 等。一般焊接结构上的疲劳失效都是由应力集中作用导致的，而影响焊接结构 9 武汉理工大学硕士学位论文 应力集中的因素主要有焊接接头的形式、不同类型焊缝的形状与焊接结构的焊 接缺陷等。最近人们逐渐关心影响焊接结构疲劳强度的焊接残余应力，通过进 行大量的试验研究，了解到焊接残余应力不仅与接头疲劳强度有关，而且还受 疲劳载荷的应力循环特性的影响，循环特性不高时，影响比较明显。 2 1 焊接结构的疲劳问题 从焊接结构的应用开始，人们就注意到了焊接构件的疲劳强度设计。2 0 世 纪2 0 年代，m o o rh f 等人就开始在不同载荷下对各种金属材料进行试验，研究 其焊接件的疲劳特性，通过试验指出普通金属的一般疲劳试验与焊接件的疲劳 试验存在着较大的差异，对于焊缝处不仅需研究其焊接过程中快速凝固的金属， 还应注意在不同的热状态、组织和性能时其两侧金属产生不同的疲劳特性啪1 。但 由于当时试验设备和检测手段的局限，焊缝中含有较多各种不同的缺陷，实验 数据具有较大的分散性，很难把握规律性，因而不能进行深入的理论研究，没 有新的突破和进展。 2 0 世纪3 0 年代以后，焊接结构已经开始大规模应用于世界上的各个先进工 业国家，特别是公路、铁路、桥梁、船舶、汽车、机车等结构广泛采用焊接件。 由于当时理论的缺乏，人们在设计和制造大型焊接结构时并没有很多的知识和 经验，没有完善的疲劳设计规范。焊接和疲劳研究学者们，根据前人的研究理 论，在测定不同类型焊接形式的曲线以及它们的疲劳寿命时，仍采用陈旧的常 规金属的疲劳性能，来满足疲劳强度的设计要求啪1 。在此期间，美、英、日等发 达国家在此方面做了较多的研究，其内容主要是针对当时条件下影响焊缝疲劳 寿命的因数，如焊接工艺、材料与焊剂等。美国学者w i l s o nw m 等人在此期间 也做过较多的工作，通过试验认真研究了焊后各类钢和接头的焊接方法、疲劳 性能以及疲劳强度与板厚的关系。这些研究成果对当时焊接构件的疲劳寿命设 计起到了一定的指导作用，但鉴于当时焊接技术的不够发达和工艺的落后，人 们并不能够清晰地认识焊接过程的冶金情况，同时断裂力学在焊接疲劳领域也 没有得到很好地应用，因而设计出来的焊接结构疲劳寿命还比较保守，可靠性 也得不到保证。 随着宇航工业的发展，人们对焊接结构的疲劳寿命设计提出了新的要求。 同时在焊接结构疲劳寿命的研究过程中采用断裂力学为其开拓了新思路和新方 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 法。进入2 0 世纪5 0 以后，由于断裂力学的引入使焊接结构疲劳强度的研究出 现了新的生机和活