（机械工程专业论文）汽油机歧管式催化转化器动态特性分析.pdf

重庆人学专业硕十学位论文 中文摘要 摘要 机动车尾气净化是控制车辆污染物排放的主要技术措施，而歧管式催化转化 器是排气系统的重要组成部分。由于排放法规的日益严格，对歧管式催化转化器 性能的要求越来越7 苦，结构设计也更复杂，结构对歧管式催化转化器性能的影响 也越来越明显。 为了评价歧管式催化转化器的性能，并为后续的结构设计和改进提供有力的 理论依据，本文在建立起适合歧管式催化转化器动态特性分析的有限元模型基础 上，利用大型有限元软件h y p e rm e s h 和a n s y s 对某歧管式催化转化器进行了以 下几方面的研究分析： 计算了该歧管式催化转化器的自由模态和约束模态，获得了自由模态和约 束模态的各阶频率和相应的振型图，进一步分析了其振动特性。 对该歧管式催化转化器进行了三维内、外流场特性分析，获得了该歧管式 催化转化器的流体速度场、温度场和压力场，重点分析了催化转化器部分载体进 气端面的流体流动均匀性指数和温度分布。 采用流固热耦合的分析方法计算了某汽油机歧管式催化转化器结构耦合 场的温度、热应力状态、安全系数等。计算分析表明：原歧管式催化转化器结构 在入口法兰区域热应力过大，容易产生应力集中，是结构最容易损坏的区域。另 外，排气歧管和催化转化器连接处，与螺栓固定点的距离较远，热变形较大。因 此，需要进行结构上的改进。 最后提出了歧管式催化转化器结构改进方案，并与原结构进行了相应的对 比分析，分析结果表明改进后的结构较原结构在最高温度、最大热应力、安全系 数等方面均有较好的改善，取得了较好的效果。 关键词：歧管式催化转化器，有限元法，模态分析，流场，流固热耦合 重庆人学专业硕+ 学位论文 英文摘要 a b s t r a c t v e h i c l ee x h a u s tp u r i f i c a t i o ni s t h em a i nt e c h n i c a lm e a s u r e st oc o n t r o lt h e e m i s s i o n s ，a n de x h a u s tm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e ri sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ee x h a u s t s y s t e m b e c a u s eo fi n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h e m a n i f o l d c a t a l y t i c c o n v e r t e rh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g ，m o r ec o m p l e x s t r u c t u r a ld e s i g n ，s t r u c t u r a lb e c o m ei n c r e a s i n g l ye v i d e n t t ot h ep r o p e r t i e so ft h e m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c ea n dp r o v i d eas t r o n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e s t r u c t u r a ld e s i g na n dm o d i f i c a t i o no ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r , f i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dl a r g e rc o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y sa n dh y p e rm e s ha r eu s e df o r t h e f o i l o w i n 2a r e a so fr e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r i n t h i s p a p e r c a l c u l a t i n gt h ef r e ea n dc o n s t r a i n tm o d eo ft h em a n i f o l dc a t a l y t i c c o n v e r t e r , a c h i e v e dt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d i n gm o d es h a p e s o ft h ef l e eo r c o n s t r a i n tm o d e t h e n ，a n a l y z et h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a n i f o l dc a t a l y t i c c o n v e r t e r s t u d i e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l do ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r , a c h i e v e dt h ef l u i dv e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dp r e s s u r ef i e l d a n da n a l y z et h e f l o wu n i f o r m i t yi n d e xo ft h ec a r t i e ri n l e te n di nt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e rp a r t t h et h e r m a ls t r e s s ，s a f e t yf a c t o ra n dt e m p e r a t u r eo fc o u p l i n gf i e l do fg a s o l i n e e n 2 i n em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e rw e r ec a l c u l a t e dw i t ht h ef l u i d s t r u c t u r et h e r m a l i n t e r a c t i o n a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h et h e r m a ls t r e s s i se x c e s s i v ei n e n t r a n c ef l a n g ea r e a 。a n di ti se a s yt op r o d u c et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na n d i sd a m a g e d e a s i l vi nt h i sa r e a i na d d i t i o n ，t h et h e r m a ld e f o r m a t i o ni sg r e a t e ri nt h ej u n c t i o n a r e a b e t w e e ne x h a u s tm a n i f o l da n dc a t a l y t i cc o n v e r t e r s oaf u r t h e rs t r u c t u r ei m p r o v e m e n t m u s tb em a d ei nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h ei m p r o v e ds t r u c t u r ew a sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s a n d ，t h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ns h o wt h a tt h ei m p r o v e ds t r u c t u r ei s b e t t e rt h a nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r ei nt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e ，t h em a x i m u mt h e r m a l s t r e s s e sa n dt h es a f e t yf a c t o r k e yw o r d s ：m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r , 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 ，f l o w f i e l d ，f l u i d s t r u c t u r et h e r m a li n t e r a c t i o n 重庆人学专业硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 歧管式催化转化器是车辆排气系统的主要部件，它的性能及可靠性直接影响 着发动机和整个排气系统的性能。而催化转化器又是汽车尾气处理的关键装置。 为了解决汽车冷启动引起的排放问题，提高三元催化器的工作温度并改善冷启动 特性，将催化器位置向靠近发动机位置移动，使催化转化器最大限度地发挥催化 剂的效能，就形成了歧管式催化转化器。歧管式催化转化器实质上就是排气歧管 和三元催化转化器的组合，它是近几年才产生的一种新型排气催化转化装置，它 的产生是建立在排气歧管和催化转化器的研究发展基础上的。 目前歧管式催化转化器已经得到了广泛的应用，其在净化发动机汽缸排出的 废气方面发挥着巨：穴的作用。歧管式催化转化器是指安装在发动机舱内，由发动 机排气歧管与催化转化器两部分组成，且发动机歧管各支管交汇处到催化器入口 端的连续连接长度不大于5 0 0 m m 的歧管式催化转化器部件 1 。它与常规的催化转 化器相比具有以下优势： 在没有额外加热装置时，催化转化器达到工作温度的时间很大程度上取决于 催化转化器距发动机排气门的距离，而从发动机排气门直接连接到排气歧管，使 得第一级催化转化装置能够充分利用发动机工作余热及较小的温度损失而达到快 速起燃的目的，极：大的解决了冷启动时转化效率低的问题。同时歧管式催化转化 器的自身材料决定了它的轻量化，使它的结构更紧凑，热容量更小，从而加快起 燃速度。 作为车辆排气系统的主要部件，歧管式催化转化器的性能及可靠性影响着发 动机和整个排气系统的性能。一般歧管式催化转化器的性能评价指标有可靠性、 噪声辐射、压力损失、催化转化器的转化效率等。 可靠性 歧管式催化转化器的可靠性主要包括使用寿命和安全性两方面。排气歧管是 发动机的主要受热零件，其与高温燃气直接接触，工作热负荷大，工作环境十分 恶劣，特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用往往形成热 疲劳裂纹，造成其破坏，缩短使用寿命。如果排气歧管受热时引起的变形过大或 者由于产生热疲劳裂纹，导致歧管式催化转化器出现漏气现象，则使得内燃机无 法正常工作，功率下降，甚全可能引起整车白燃现象，危及车辆使用者的人身财 产安全。 压力损失 重庆大学专业硕+ 学位论文1 绪论 如今，越来越多的汽车采用涡轮增压器来增加发动机的输出功率，而歧管式 催化转化器各支路压力损失的不同会造成增压器工作不稳，从而影响发动机输出 功率。另外，结构不合理的歧管式催化转化器会增加各支管的流动损失，降低其 流通性，使发动机性能降低，同时也会令歧管式催化转化器内部气流漩涡较大， 这样气流噪声也就增大，不能满足噪声相关法规的要求。 催化转化器转化效率 歧管式催化转化器中催化转化器的主要作用是减少车辆有害物质的排放，以 满足如今同益严格的排放法规的要求。因此，对催化转化器的转化效率要求较高， 若转化效率低，则不能有效减少有害物质的排放，无法满足排放法规，则车辆不 能正常上市。而歧管式催化转化器内部气体的流动特性对催化转化器的转化效率 有很大的影响。 一些研究表明 2 ，由于催化转化器内部速度分布不均匀，造成载体中心区域的 速度和温度过高，使催化剂很容易老化，降低了其使用寿命；而载体外围的速度 和温度又太低，催化剂得不到充分利用，造成很大的浪费，同时也降低了催化剂 的转化效率。此外，由于速度分布不均匀导致载体在横截面上出现温度梯度，产 生热应力，使得载体容易变形而损坏。 同时，催化转化器的流动特性对发动机的动力性和经济性也会产生很大的影 响。据有关资料统计 3 ，催化转化器的压力损失占整个发动机排气系统压力损失的 3 0 4 0 。 综上所述，歧管式催化转化器的合理设计是提高发动机性能乃至整车性能的 关键环节之一。因此，对歧管式催化转化器进行振动特性、流体流动均匀性、热 应力以及可靠性分析研究具有重要的理论价值及工程意义，它为歧管式催化转化 器后续的结构改进和优化提供了指导方向。 1 2 国内外研究现状 国外学者主要在排气歧管的热疲劳断裂方面进行了研究，如w a t a n a b e ， y o s h i m a s a 4 等对不锈钢排气歧管破裂的原因进行了预测，并以拉伸一压缩试验获得 的应力应变曲线来保证预测的准确性，研究表明该排气歧管的破裂是由于发生在 高温下的热疲劳引起的。y a s a rd e g e r ，b u r k h a r ds i m p e r l 5 1 等对不同条件下工作的柴 油机排气歧管进行了流热耦合分析，获得了其温度及热应力分布图，研究表明最 高温度出现在废气交汇点的加强筋处，并提出了相关改进措施。国际上【6 。，在排 气歧管计算分析中已经广泛的采用流热耦合方法，流热耦合法并不依赖于温度场 实测结果，就可以得到相对较精确的温度场信息。且其热边界条件是通过c f d 模 拟出来的，更接近传热问题的实质，更有助于分析问题本质。 重庆大学专业硕士学位论文1 绪论 目前此方法存国内还处在应用发展阶段，许多学者都做出了有益的探索。其 中，李红庆 、杨万里【12 1 、郭立新 13 等人为分析排气歧管开裂的原因，采用流固 耦合方法，首先计算了排气歧管的瞬态内流场和稳态外流场，得到了排气歧管内 外壁面的对流换热系数和环境温度，并用有限元法计算了排气歧管的温度场和热 应力。陈征 1 4 、王：芷新 1 5 、赵金斗 1 6 等人在架试验的基础上，采用一维发动机工 作过程计算和三维c f d 模拟技术研究了4 缸柴油发动机各缸排气温度差异的影响 因素，结果表明排气歧管结构是各缸排气温度差异的主要影响因素，并根掘数值 模拟的结果对排气歧管进行了改进，改善了排气均匀性。清华大学的帅石金【l 水2 l j 等人采用数值模拟的方法研究了车用催化转化器内气体的流动均匀性，在此基础 上，研究了催化转化器结构、空速以及载体阻力等对流动的影响。 国外从7 0 年代初就开始进行催化转化装置工作过程数值模拟的研究，其早期 主要是通过试验研究催化转化器阻力和流速分布不均匀性。1 9 7 4 年，h o w i t t 2 2 1 用 热线风速仪( h w a ) 对一个氧化型的催化转化器载体前端面的流速分布进行了测 量，并研究了通过安装不同的导流装置来影响入口速度的分布。同年，l e m m e 和 g i v e n s 2 3 研究了不同扩张管和收缩管形状的催化转化器对流速分布的影响。结果 发现扩张管和收缩管的形状对速度分布的影响不明显；增加载体的长度，可使载 体内的流速分布均匀；增加入口管和载体直径的比率可以改善载体内流速分布。 1 9 9 8 年，m a n i n 2 4 等人通过c f d 模拟得出了流速分布均匀性的结果，但是流速分 布对转化效率和起燃温度的影响通过稳态测试程序得出。研究结果表明，流速分 布越均匀，起燃温度就越低。2 0 0 0 年，b r u a n 2 5 - 2 9 等人用f l u e n t 软件模拟了催化转 化器在稀混合气、理论配比和浓混合气的条件下的起燃特性。 受各方面条件的限制，国内在这方面的研究起步较晚，最初也主要集中在催 化剂的配方和工艺上，对其内部的流动特性研究还不全而。2 0 世纪末，随着人们 对c f d 仿真软件的了解和使用，基于国外进行试验工作和研究的基础上，我国逐 步开始了对催化转化器流场及压力损失方面的研究。2 0 0 0 年，清华大学的帅石金 3 0 - 3 1 1 等人建立了蜂窝载体的流体力学模型，并用c f d 软件对催化转化器的流场进 行了稳态数值模拟。同年，宋金欧 3 2 等人针对当前催化转化器的数学模型进行了 改进，考虑了工作过程的瞬态基本特征，提出了改进模型。计算结果表明，改进 模型能更准确地预测催化转化器的实际工作过程及各参数变化规律。2 0 0 1 年，帅 石金 3 3 等人用s t a r c d 软件对具有良好流动特性的斜扩张管催化器进行了三维 稳态流动数值模拟，并研究了扩张管倾斜角和入口管布置对流动特性的影响。同 年刘军 3 4 对催化转化器进行了稳态研究，通过对四种不同引流区结构的速度场、 压力场的计算，证明引流区的结构对催化转化器的气流分布影响很大，并对实际 汽车用催化转化器在不同排气流量下的速度场和压力损失进行了计算和对比。上 重庆人学专业硕+ 学位论文1 绪论 海交通大学的陈晓玲等 3 5 - 3 6 j 总结出几种流动数学模型和试验方法，归纳了催化转 化器中气体流动的机理和影响流速分布的一些因素。湖南大学的刘彪等 37 1 ，建立 了催化转换器流场的二维模型，对催化转换器的稳态流动进行了数值模拟，分析 了不同载体参数对催化器的流动分布和压力损失的影响。龚金科等 38 】对流场和压 力损失进行了数值模拟，并对原机与安装t w c 后发动机的特性曲线进行了对比试 验。文献 3 9 在建模过程中考虑了化学反应放热对载体升温过程的影响，使得所建 立的数学模型更接近实际情况。总之，国内对催化转化器流场的数值模拟有了较 大的进展，数学模型也丌始复杂起来，但是与国外相比，还是有较大的差距，能 利用c f d 进行实际产品研发并得到可靠验证的比较少，过多考虑催化转化器本身 的性能，而对整个进排气系统的考虑较少。 目前国内外对于歧管式催化转化器的研究还比较少，这方面的论文也不多见， 其中国内有人仅对其做了相关探索研究。例如，武汉理工大学的张旭升，颜伏伍【4 0 。4 l j 从汽油机的设计研究出发分析介绍了汽油机歧管式催化转化器的设计要素和设计 步骤，利用c f d 软件对所设计的歧管式催化转化器进行了流动仿真计算。杨国鹏 【4 2 1 、孙鲁割4 3 1 等对歧管式催化转化器性能评价试验做了相关研究，主要分析了彳i 同歧管设计对催化器性能和载体腐蚀的影响，根据歧管式催化转化器的技术要求， 进行进一步的优化，并提出了一种能满足其要求的试验方法并验证了其可行性。 以上大多数研究都是单独对排气歧管或催化转化器进行振动分析和流场分 析，并提出改进意见，但没有对排气歧管和催化转化器联合起来进行分析。随着 发动机传热仿真技：术的成熟，单独的对固体部件和流体部件进行独立传热计算已 经不能满足工程设计的需要。这一矛盾反应在单独对固体部件和流体部件进行计 算过程中，不但花费大量的时间和精力在内部边界条件的设定上，同时由于这种 边界条件不能做到准确和实际情况吻合，而且也影响了计算精度。采用流固热耦 合方法对发动机整体模型进行流动、传热兼顾的多物理场的固流耦合传热计算将 是发动机传热仿真研究的发展趋势。 1 3 本文工作及思路 论文将对某发动机的排气歧管式催化转化器动态特性进行分析，采用有限元 流固热耦合方法分析其振动特性、三维流场特性及其热应力等，在此基础上进行 结构改进。论文工作主要从以下几方面进行： 根据已有的歧管式催化转化器三维模型，利用u g 、h y p e rm e s h 等软件对三 维模型进行几何清理，建立动态特性分析的三维几何模型和有限元模型。 利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对所建立的歧管式催化转化器三维模型进行网 格划分，在此基础上对其进行自由模态和约束模态的计算，进而获得其前1 0 阶的 重庆大学专业硕+ 学位论文1 绪论 固有频率及其模态阵型图，分析歧管式催化转化器的振动特性。 根据歧管式催化转化器的三维模型，建立歧管式催化转化器内外流场几何 模型，计算得到歧j 彗式催化转化器的三维流场，获得内外流场的速度矢量图，分 析歧管式催化转化器内流场的流动均匀性、压力及温度。 将流场计算所得的歧管式催化转化器内外流场温度、压力作为边界条件差 值到a n s y sw o r k b e n c h 稳态温度场和结构静力分析中，进而得到歧管式催化转化 器的流热耦合、流固耦合分析。 将流热耦合分析的结果作为流固耦合的热边界条件，采用流固热耦合的方 法，计算分析歧管式催化转化器的热应力状态和振动特性。利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对其进行结构改进，并对改进前后的效果进行对比分析。 在本文中，主要有以下三个研究的关键问题和难点： 如何对歧管式催化转化器中催化转化器内的蜂窝载体进行处理，对其处理 的好坏直接影响流动均匀性，进而影响流固热耦合等的分析结果。 如何对歧管式催化转化器进行网格划分将直接影响动态特性分析的准确性 和正确性，是进行动态特性分析的关键点。 如何采用流固热耦合技术计算歧管式催化转化器的温度场，确定歧管式催 化转化器的热应力状态与振动特性找出热应力集中破坏点，据此对其进行结构改 进并保证改进结构较原结构在各项性能方面均有所提高，这也是论文的难点以及 关键问题。 重庆人学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 2 歧管式催化转化器振动特性分析 歧管式催化转化器与发动机和车身连接在一起，发动机和车身的振动会通过 连接装置传递给歧管式催化转化器。如果歧管式催化转化器的自身固有频率与发 动机或车身的激励频率相近，则歧管式催化转化器会出现共振现象，共振使歧管 式催化转化器振动振幅增大，在某些薄弱部位可能因为共振而出现裂纹或断裂， 较大的振动也会使热疲劳裂纹增大，加速歧管式催化转化器断裂破坏。所以本章 首先分析歧管式催化转化器的振动特性，利用a n s y sw o r k b e n c h 对歧管式催化转 化器进行模态分析。 2 1 模态分析基本理论简介 模态是机械结构的固有振动特性。模态分析方法是一个将结构的复杂振动分 解为许多简单而独：芝的振动，并用一系列模态参数来表示的过程。模态分析的核 心内容就是确定固有频率、阻尼比及振型等模态参数。 在线性时不变条件下，具有，z 个自由度的振动系统的振微分方程为： 阻l x + 【c 辟) + k ) 忸) - 杪( r ) ) ( 2 1 ) 式中，阻 、 c 】、医】分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；妖f ) ) 为外 部载荷列阵； x ) 、忙) 和忙) 分别为系统在物理坐标描述下的位移列阵、速度列阵 和加速度列阵。 对于无阻尼自由振动情况，掀f ) ) = o ) ， c 】= 0 ) ，则式( 2 1 ) 为： 瞰 辟 + 皿) 仁) = o ) ( 2 2 ) 令 x ： s i n ( c o t + 缈) ，代入式2 2 ，则方程变为： 眩卜0 j 2 阻 舾) = 0 ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 有非零解的充分必要条件是系数行列式等于零，即： 卜缈2 m 卜 ( 2 4 ) 对于1 阶振动系统，可以解出珂个非负实根彳( i = 1 ，2 3 一，刀，即特征值，按 由，j 、至0 大的j i 顷序 j 歹u 如下： 奸哆2 2 ( 2 5 ) 把彳代入式( 2 3 ) 就可解出与其相对应的矢量谚( i = 1 , 2 ，j ，3 一，咒) ，即特征向 量。上面所求得砰的算术平均根q 即为系统的第i 阶固有圆频率，又称特征频率 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 或模态频率，与之对应的识为第i 阶主振型，也称固有振型或模态振型。 2 2 歧管式催化转化器有限元模型的建立 2 2 1 歧管式催化转化器三维几何模型的建立 本文所研究的歧管式催化转化器为某公司生产的歧管式催化转化器，其三维 模型如图2 1 所示。图中所示为歧管式催化转化器整体结构几何图形，它包括了歧 管式催化转化器罩、氧传感器安装台、支撑结构、载体、衬垫、外壳以及排气歧 管等部件。其中，催化转化器部分与排气歧管通过焊接连接，然后被安装在排气 歧管罩和支撑架上，进出口的法兰盘分别与发动机和消声器进行螺栓固定连接。 在整体结构中歧管式催化转化器罩仅起保护作用，因此在进行仿真分析时将歧管 式催化转化器罩清理掉，保留催化转化器与车身连接的固定支架，初步清理后的 歧管式催化转化器三维模型如图2 2 所示。 歧管式催化转化器各部分零件之间主要采用焊接和过盈连接，而在建立歧管 式催化转化器结构有限元模型时既要准确反映歧管式催化转化器实际结构的振动 特性，又要尽量减少单元的数量，节省计算机资源和计算时间。故在本文的研究 中，将如图2 2 所示的歧管式催化转化器导入到u g 软件中，对模型做进一步简化 修改，对于催化转化器部分，忽略其内部的载体和垫层，只留取催化转化器的壳 体。忽略歧管式催化转化器各部分零件之间的焊接和其他一些连接关系，直接将 各个部分作为一个整体连接在一起，去除倒圆、倒角，同时忽略一些附属零件， 如传感器的安装凸台。最终进行振动特性分析的歧管式催化转化器的三维几何图 如图2 3 所示。 图2 1 歧管式催化转化器三维几何图 f i g 2 1t h e3 dg e o m e t r yo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 7 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 图2 2 简化后的歧管式催化转化器三维几何结构图 f i g 2 2t h es i m p l i f i e dg e o m e t r i cm o d e lo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 图2 3 简化后的歧管式催化转化器三维几何图 f i g 2 3t h es i m p l i f i e dg e o m e t r i cm o d e lo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 2 2 2 歧管式催化转化器有限元网格的生成 几何清理完毕后，考虑到歧管式催化转化器几何结构尺寸的大小以及计算机 的计算能力，适当选择网格单元尺寸，在a n s y sw o r k b e n c h 中对三维几何模型进 行有限元网格划分。为了更好的进行网格划分，“虚拓扑”允许用户合并面，由于 小的缝或面可能不能执行网格密度划分，从而导致网格划分失败，v i r t u a lc e l l s 可 以把相邻的小面合并到一个大的面中【5 5 l 。 在进行网格划分时，对有可能出现较大应力的部位如螺栓安装孔等处进行网 格局部细分。整体网格单元尺寸设置为2 1m m ，总体网格划分方法采用四面体和 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 六面体结合的混合网格划分法( h e xd o m i n a n t ) ：难以划分的线、面、边、角等采 用f a c es i z i n g 、r e f i n e m e n t 等网格划分方法进行二次划分，并设置单元尺寸为 2m m 、1m m 。本文中所建立的歧管式催化转化器结构有限元网格模型，共产生 1 6 9 1 4 2 个单元，6 1 1 4 3 3 个节点。最终生成的满足质量要求的网格如图2 4 所示： 图2 4 歧管式催化转化器三维网格模型 f i g 2 4t h e3 df i n i t ee l e m e n tm e s hm o d e lo f m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 2 3 歧管式催化转化器振动模态特性分析 2 3 1 自由模态分析 在w o r k b e n c h 中进入m e c h a n i c a l 后，设定计算模态数为1 6 。设定材料属性， 在本文的研究中歧管式催化转化器泊松比0 2 8 ，材料密度7 8 5g c m 3 ，材料弹性 模量随温度变化情况如表2 1 所示。 表2 1 歧管式催化转化器材料弹性模量 t a b l e2 1y o u n g sm o d u l u so fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 渔廑! ：竺!翌丝搓量! 堕1 2 02 0 2 1 0 0 2 0 0 3 0 0 1 8 9 4 0 0 1 6 7 7 5 01 2 3 通过a n s y s 求解器计算获得的歧管式催化转化器自由模态固有频率如表2 2 和图2 5 所示： 9 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 表2 2 歧管式催化转化器自由模态各阶频率 t a b l e2 2t h ef r e em o d a lf r e q u e n c yo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 图2 5 歧管式催化转化器自由模态各阶频率分布 f i g 2 5t h ef r e em o d a lf r e q u e n c yo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 歧管式催化转化器自由模态的各阶频率模态振型图如图2 6 图2 1 3 所示： 图2 6 自由模态第1 阶振型图 f i g 2 6t h ef i r s to r d e ro f f r e em o d a l 1 0 攀。 图2 7 自由模态第2 阶振型图 f i g 2 7t h es e c o n do r d e ro f f r e em o d a l 重庆大学专业硕士学位论文 2 歧管式催化转化器振动特性分析 图2 8 自由模态第3 阶振型图 f i g 2 8t h et h i r do r d e ro ff r e em o d a l 图2 1 0 自由模态第5 阶振型图 f i g 2 1 0t h ef i f t ho r d e ro f f r e em o d a l 图2 1 2 自由模态第7 阶振型图 f i g 2 12t h es e v e n t ho r d e ro ff r e em o d a l 图2 9 自由模态第4 阶振型图 f i g 2 9t h ef o u r t ho r d e ro ff r e em o d a l 图2 1 1 自由模态第6 阶振型图 f i g 2 11t h es i x t ho r d e ro f f r e em o d a l 图2 1 3 自由模态第8 阶振型图 f i g 2 13t h ee i g h t ho r d e ro f f r e em o d a l 分析图2 6 图2 1 3 可知，该歧管式催化转化器前六阶自由模态的最大振幅均 出现在固定支座部位；从第七阶模态可以看出，在离催化转化器最远的一根排气 支管的转弯处也出现了较大的振动，第八阶模态的最大振幅在废气出口法兰处。 2 3 2 约束模态分析 自由模态是歧管式催化转化器在自由状态下不施加约束时的振动特性，而实 际应用中，歧管式催化转化器必然会用螺栓等一些连接方式与汽车其他部件相连 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 接，连接部位的振动受到约束。施加约束后分析所得的歧管式催化转化器的振动 模态更接近实际，而且由于此时的振动特性对歧管式催化转化器及整车的性能影 响更为重要，故须对歧管式催化转化器的约束模态进行分析。在利用a n s y s w o r k b e n c h 软件对歧管式催化转化器进行约束模态分析时，分析方法与自由模态大 致相同，但是在进行求解之前需对歧管式催化转化器施加约束边界。 约束边界条件对于模态分析来说是很重要的，因为他们能影响部件的振型和 固有频率，因此需要仔细考虑模型是如何被约束的。对于本文所研究的歧管式催 化转化器：前法兰盘通过9 个螺栓与发动机相连接，后法兰通过2 个螺栓与消声 器相连，另外在催化转化器表面还有1 个固定支座通过螺栓与车身相连。因此， 将前后法兰的1 1 个螺栓孔和支座的螺栓孔安装面设置为：固定约束( f i xs u p p o r t ) ， 即在所有的自由度方向皆为零位移约束。 施加载荷后的歧管式催化转化器约束模态有限元模型如图2 1 4 所示： 图2 1 4 施加约束的歧管式催化转化器结构有限元模型 f i g 2 14t h ef em o d e lo ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r w i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n s 通过a n s y sw o r k b e n c h 求解分析可求得歧管式催化转化器约束模态的各阶频 率，如表2 2 和图2 1 5 所示： 表2 3 歧管式催化转化器约束模态各阶频率 t a b l e2 3t h ec o n s t r a i n tm o d a lf r e q u e n c yo f m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 1 2 重庆人学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 图2 1 5 歧管式催化转化器约束模态各阶频率分布 f i g 2 15t h ec o n s t r a i n tm o d a lf r e q u e n c yo fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r 歧管式催化转化器约束模态的各阶频率模态振型图如图2 1 6 - 2 2 3 所示： 图2 1 6 约束模态第1 阶振型图图2 1 7 约束模态第2 阶振型图 f i g 2 16t h ef i r s to r d e ro fc o n s t r a i n tm o d a l f i g 2 17t h es e c o n do r d e ro f c o n s t r a i n tm o d a l 图2 1 8 约束模态第3 阶振型图 图2 1 9 约束模态第4 阶振型图 f i g 2 18t h et h i r do r d e ro f c o n s t r a i n tm o d a l f i g 2 19t h ef o u r t ho r d e ro f c o n s t r a i n tm o d a l 1 3 重庆大学专业硕士学位论文 2 歧管式催化转化器振动特性分析 图2 2 0 约束模态第5 阶振型图 f i g 2 2 0t h ef i f t ho r d e ro fc o n s t r a i n tm o d a l 图2 2 2 约束模态第7 阶振型图 f i g 2 2 2t h es e v e n t ho r d e ro f c o n s t r a i n tm o d a l 图2 2 1 约束模态第6 阶振型图 f i g 2 21t h es i x t ho r d e ro fc o n s t r a i n tm o d a l 图2 2 3 约束模态第8 阶振型图 f i g 2 2 3t h ee i 【g h t ho r d e ro fc o n s t r a i n tm o d a l 分析图2 1 6 图2 2 3 可知，约束模态的最大振幅均出现在排气歧管最长支管处， 固定支座部位和催化转化器部位，其余部位振动均较小。其中，第一阶、第三阶、 第七阶模态的主要振动部位为催化转化器壳体；第二阶、第五阶、第六阶模态的 主要振动部位为固定支座部位；第四阶、第八阶模态最大振幅在最长的根排气 支管处。 2 3 3 共振分析 发动机工作时产生的高频振动通过歧管式催化转化器与发动机连接的部件传 递给歧管式催化转化器。发动机的转速，z 、汽缸数i 以及发动机冲程数r 是影响发 动机的振动对歧管式催化转化器产生激励振动的主要因素，这是由于发动机振动 时的脉动主频率即为歧管式催化转化器激励振动时的频率f ，而其计算公式为： 厂：旦 一 3 0 r ( 2 6 ) 本文中采用四汽缸、四冲程发动机，计算发动机转速为6 0 0 0 ，m i n ，则可得 到歧管式催化转化器激振时频率为：疋= 2 0 0 h z 。歧管式催化转化器与发动机和 车体相连，因此歧管式催化转化器的固有频率必须避开发动机的激振频率及车体 的激振频率，否则耦合在一起会产生强烈的共振。因此，歧管式催化转化器自身 1 4 重庆大学专业硕士学位论文2 歧管式催化转化器振动特性分析 的固有频率应远离外界的激励频率，避免出现共振现象。 由上述自由模态和约束模态对比分析的结果可知，歧管式催化转化器约束模 态的各阶频率均大二f 自由模态的各阶频率。并且，歧管式催化转化器自由模态第 一阶固有频率为2 0 7 6 4 h z ，约束模态第一阶频率为1 0 5 2 h z ，均远离外界的最大 激励频率2 0 0 h z ，故该歧管式催化转化器在正常的使用过程巾不易发生共振现象， 此歧管式催化转化器振动特性较好。 2 4 本章小结 本章主要利用a n s y sw o r k b e n c h 建立了歧管式催化转化器的有限元模型，并 分析了歧管式催化转化器振动产生的原因。通过仿真分析得到歧管式催化转化器 的振动特性，该歧管式催化转化器自由模态一阶频率为2 0 7 6 4 h z ，约束模态第一 阶频率为1 0 5 2h z ，均大于其外界的最大激励频率2 0 0 h z 。故知该歧管式催化转 化器在正常的工作下不易产生共振现象。 重庆人学专业硕十学位论文3 歧管式催化转化器j 维流场特性分析 3 歧管式催化转化器三维流场特性分析 发动机排放出来的高温废气在歧管式催化转化器中高速流动时，直接冲击歧 管式催化转化器壁面，从而迫使其振动。影响废气对歧管式催化转化器产生的冲 击振动的主要因素有：废气在排气歧管内部的流速以及歧管式催化转化器自身的 材料属性和结构。本文假设材料属性和结构不变，对歧管式催化转化器进行三维 流场分析，得到温度场、压力场，进而分析高温、高压、高速流动气体对歧管式 催化转化器动态特性的影响。 3 1 计算流体动力学基本理论 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是以计算机作 为模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题离散化数值解的计 算方法。计算流体：匀学可以看作是在基本守恒方程的控制下，对流体流动过程进 行数值模拟的科学。，通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内的各个 位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 分布，以及这些物理量随 时| 白j 的变化情况删。 流体动力学的基本方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。 下面分别介绍这些：号程： 质量守恒方程 质量守恒方程：又叫连续性方程，是质量守恒定律在流动领域内的体现，具体 表述如下： 望+ 型+ 型- t 一判：o a t苏 e y 色 ( 3 1 ) 引入矢量符号，上式可以写成： 鲁砌v ( 肪) 一 ( 3 2 ) 式中，p 一密度；f 一时问；函一速度矢量；甜，v ，w 是厅在x ，y ，z 方向的速 度分量。 本文研究中将：辛气视为不可压缩的流体，即密度为常数，这样，式( 3 1 ) 可 简化为： 型+ 型+ 型：o 舐 砂 色 ( 33 ) 重庆人学专业硕十学位论文 3 歧管式催化转化器二维流场特性分析 动量守恒方程 动量守恒方程又叫n a v i e r s t o k e s 方程，是动量守恒定律在流动系统中的体现， 对于牛顿粘性流体，有如下形式： 掣协( 训勘v ( 脚d “) 一望o x + 毛 掣协( 删瑚v ( t g r a dv ) 一等城 掣驯脚) 珊( p g r a d w ) 一考坶 ( 3 4 ) 其中，符号s u ，s ，s 是动量守恒方程的广义源项；s u = c + s 。；s ，= c + s s 缈= f z + s ：；s xs j ：的表达式如下： 文= 昙( 罢 + 导( 罢) + 昙( 芸 + 昙( a d i v 历)文2 瓦