（机械设计及理论专业论文）发动机排气歧管的振动特性研究及支撑结构改进.pdf

摘要 论文题目：发动机排气歧管的振动特性研究及支撑结构改进 学科名称：机械设计及理论 硕士生：陈建芳 指导教师：崔亚辉教授 摘要 签名：幽 签名：缉 排气歧管是汽车发动机排气系统的重要部件，它的结构设计与发动机排气系统性能密 切相关，不仅影响其排气效率，也关系到发动机的工作可靠性和使用寿命。由于排气歧管 长期在高温下工作，在热负荷以及来自发动机和车体等振动的影响下，排气歧管会产生裂 纹。本文即针对某型发动机排气歧管在工作过程中出现的裂纹现象，应用有限单元法，全 面深入研究了其振动特性。 本文首先建立了排气歧管的p r o e 三维模型，应用a n s y s 有限元分析软件进行结构 动态特性的分析，包括模态、谐响应分析以及利用结构动态试验装置测试该排气歧管的固 有频率，并对软件分析计算的结果和试验测试的结果进行比较；其次，研究分析排气歧管 出气口端弹性联接时的振动特性，并分析比较排气歧管不同的联接方式对其振动特性的影 响；接着分析了高温下排气歧管的温度场分布规律，利用热一应力耦合的方法分析热应力 并研究热应力对振动特性的影响；最后，通过对出气口端法兰结构的改进使得热应力得到 了降低。 通过本文的研究可见，试验测试的固有频率和软件分析的结果误差满足工程要求，从 而验证了有限元分析模型的正确性以及分析方法的正确性和可靠性，为相关分析起到一定 的指导作用。另外模拟了出气口端弹性联接时的吸振作用，为排气歧管的实际安装方式有 了进一步的指导，同时证明了热应力的存在会降低结构的固有频率，因此研究振动特性时 不能忽视。 关键词：排气歧管；模态分析；谐响应；联接；热应力 本研究得到了陕西省重点学科( 车辆工程) 建设专项资金资助项目( 项目编号1 0 2 0 0 x 9 0 4 ) 的资助。 a b s t r a c t t i t l e ；t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fe n g l n e e x h a u s tm a n i f o l da n ds u p p o r t l n gs t r u c t u r e i m p r o v e m e n t m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e = c h e nj i a n f a n g s u p e r v i s o r - p r o f lc u iy a h u i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h ee x h a u s tm a n i f o l di sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fa u t o m o b i l ee n g i n ee x h a u s ts y s t e m ， i t ss t r u c t u r ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ee x h a u s ts y s t e m ，n o to n l ya f f e c t st h e e f f i c i e n c yo ft h ee x h a u s t ，a l s or e l a t e dt ot h ee n g i n e sw o r kr e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e a s e x h a u s tm a n i f o l dw o r kl o n ga th i g ht e m p e r a t u r e s ，u n d e rt h eh e a tl o a da n dt h ev i b r a t i o nf r o mt h e e n g i n ea n dt h ei n f l u e n c eo fb o d y ，e x h a u s tm a n i f o l dw i l lc r a c k t h i sp a p e rn a m e l ya i m sa ts o m e e n g i n ee x h a u s tm a n i f o l dt h ec r a c kp h e n o m e n o nw h i c ha p p e a r e di nt h ew o r kp r o c e s s ，a p p l yt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，i n d e p t hr e s e a r c hi t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rh a sf i r s te s t a b l i s h e de x h a u s tm a n i f o l d sp r o et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，c a r r i e d o nt h es t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cu s i n gt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n a l y s i s ，i n c l u d i n gt h em o d a l ，t h eh a r m o n i ca n a l y s i sa sw e l la st e s t e dt h ee x h a u s tm a n i f o l d s n a t u r a lf r e q u e n c yu s i n gt h es t r u c t u r ed y n a m i ct e s t i n g i n s t a l l m e n t ，a n dc a r r i e d o nt h e c o m p a r i s o nt ot h es o f t w a r ea n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a lt e s t sr e s u l t ；s e c o n d l y , h a sa n a l y z e d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw h e ne x h a u s tm a n i f o l do u t l e te n de l a s t i cj o i na n dt oc o m p a r ei t s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ed i f f e r e n tc o n n e c t i o n ；t h e nh a v ea n a l y z e dt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fe x h a u s tm a n i f o l du n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，a n a l y z e dt h e r m a ls t r e s sa n dt h e r m a l s t r e s so nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su s e dh e a t - s t r e s sc o u p l e dm e t h o d f i n a l l y , t h r o u g ht h e o u t l e tf l a n g eo ft h es t r u c t u r a li m p r o v e m e n t st om a k et h e r m a ls t r e s sh a sb e e nr e d u c e d t h r o u g ht h i ss t u d ys h o w e dt h a tn a t u r a lf r e q u e n c i e se r r o ro fe x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t sa n d t h es o f t w a r ea n a l y s i sm e e tt h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t s ，t h u sh a sc o n f i r m e dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e la c c u r a c ya sw e l la st h ea n a l y s i sm e t h o da c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t y , f o rr e l a t e d a n a l y s i sp l a yag u i d i n gr o l e a l s os i m u l a t e dt h ea b s o r b e re f f e c tw h e nt h eo u t l e ts i d ee l a s t i c c o n n e c t e d ，h a v et h ef u r t h e ri n s t r u c t i o nf o rt h ew a yo fe x h a u s tm a n i f o l d sa c t u a li n s t a l l m e n t ，a n d p r o v e dt h ee x i s t e n c eo ft h e r m a ls t r e s sw i l lr e d u c et h en a t u r a lf r e q u e n c y ，i tc a nn o tb ei g n o r e d 西安理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e x h a u s tm a n i f o l d ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i cr e s p o n s e ；c o n n e c t i o n ； t h e r m a ls t r e s s t h i sr e s e a r c hw a sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db ys p e c i a lc o n s t r u c t i o nf u n do ft h ek e ys u b j e c t ( v e h i c l ee n g i n e e r i n g ) o fs h a a n x ip r o v i n c e ( g r a n tn o 10 2 - 0 0 x 9 0 4 ) 目录 目录 1 绪论1 1 1 排气歧管的介绍l 1 1 1 排气歧管简介1 1 1 2 排气歧管失效现象及研究现状2 1 2a n s y s 软件的介绍3 1 3 有限单元法3 1 4 本文研究意义与内容4 2 排气歧管的结构动力学特性研究5 2 1 排气歧管的模态分析5 2 1 1 模态分析5 2 1 2 排气歧管的模态分析一6 2 1 3 共振特性的评判1 0 2 2 排气歧管的动态特性试验11 2 2 1 试验原理1 1 2 2 2 试验设备12 2 2 3 试验过程及结果分析1 3 2 3 排气歧管的谐响应分析l5 2 3 n 旨响应分析1 5 2 3 2 排气歧管谐响应分析结果1 6 2 4 排气歧管固有特性的综合分析一2 7 2 5 本章小结2 8 3 排气歧管的联接方式对其振动特性的影响2 9 3 1 刚性联接的模态分析。2 9 3 1 1 一端法兰螺栓孔约束2 9 3 1 2 两端法兰螺栓孔约束2 9 3 1 3 结果分析2 9 3 2 弹性联接的模态分析3 0 3 2 1 弹性联接有限元模型的建立3 0 3 2 2 弹性联接模态求解结果3 3 3 3 各模态频率的比较及联接方式的影响3 3 3 4 弹性联接瞬态动力学分析3 5 3 4 1 结构的瞬态动力学响应3 5 3 4 2 瞬态响应分析结果3 5 3 5 本章小结。3 8 t 西安理工大学硕士学位论文 4 排气歧管的应力对振动特性的影响3 9 4 1 静应力对其影响3 9 4 2 热应力对其影响4 0 4 2 1 热力学理论4 1 4 2 2 热应力对振动特性的影响4 5 4 3 本章小结5 2 5 联接部位的结构改进5 3 5 1 改进思路。5 3 5 2 改进结果及分析5 3 5 3 本章小结5 8 6 结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 展望5 9 致 射6 l 参考文献6 3 附录6 5 1 绪论 1 绪论 1 1 排气歧管的介绍 1 1 1 排气歧管简介 排气管主要用于汽车发动机的排气系统中，如图卜1 ( a ) 所示，由排气歧管，排气 总管，净化器，消声器等部分组成。直列型发动机在排气行程中，气缸中的废气经排气门 进入排气歧管，再由排气歧管进入排气管、催化转化器和消声器，最后由排气尾管排到大 气中，这种排气系统称为单排气系统，如图1 - 1 ( b ) 。现代汽车发动机的单排气系统由排 气歧管、排气总管和消声器等三部分组成。在采用三元催化反应器进行排气净化的轿车上， 排气系统中还包括三元催化反应器和氧传感器等装置。 ( a ) 汽车排气系统 ( b ) 汽车单排气系统 图i - i 发动机排气系统示意图 f i g 1 - 1e n g i n ee x h a u s ts y s t e ms c h e m e s 排气歧管作为发动机排气系统的主要部件，由排气口安装座、歧管管路、歧管结合部 及结合部安装座组成，用于将发动机排出的废气汇集到一起引向排气总管。其设计的好坏 不仅影响排气系统的排气效率、发动机的泵气损失及排放，而且会引起噪声和振动 1 1 1 2 1 1 3 1 。 为了使各缸排气不发生干涉和废气回流现象，并尽可能地利用排气惯性，提高排气效率， 减少排气阻力，各缸歧管都做得尽量长，且长度尽量相等。由于形状复杂，排气歧管一般 都采用铸铁，内壁要求尽可能的光整。 排气歧管一般通过法兰和吊耳分别与发动机以及车身底板相连。由于受到发动机本身 振动和排气激励的影响，排气歧管振动相对较大“1 ，从而造成其联接部位零件的疲劳断裂。 另外，发动机从冷态到全负荷运转，其排气管的温差很大，较大的线膨胀量可能破坏排气 管与缸体( 缸盖) 的联接件( 螺栓) ，并使连接处的密封遭到破坏。排气歧管法兰面因热 变形发生裂纹以及连接螺栓热疲劳等也是发动机排气歧管失效的常见现象之一。排气歧管 作为发动机的主要受热件，在6 5 0 8 5 0 。c 的高温下长时间工作，会导致结构产生不均匀 的热应力和热应变，影响其结构强度和刚度。因此，研究排气歧管及其支撑结构的振动特 性以及热应力应变很有必要。 目前在对排气歧管的研制过程中，通常是将初步设计结果先制作成模型，然后做台架 西安理工大学硕士学位论文 试验，反复修改、调整设计参数，不仅试验费用高、周期长，而且问题大多出现在排气歧 管设计完成后，对设计更改带来一定的难度。随着计算机软、硬件水平的不断提高，有限 元技术的应用提高了发动机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了发动机工 业的发展1 。通过三维造型设计对排气歧管进行建模，再用有限元分析方法对其进行分析， 可以在排气歧管的设计初期对其耐久性进行预测，找到其结构的薄弱环节，提出合理的改 进方案，这不仅缩短了研究设计的时间，还大大节约了成本。因此，本文根据目前的研究 现状，借鉴相关的理论和研究方法，对排气歧管的振动特性进行深入研究。 1 1 2 排气歧管失效现象及研究现状 目前，相关论文提到的排气歧管主要失效形式是局部部位的裂纹和断裂1 6 - 8 1 。本文分 析的某型国产发动机排气歧管目前也出现了裂纹的现象，产生部位如图1 - 2 所示。为了研 究分析该排气歧管出现裂纹现象的根本原因，本文将借鉴现有的参考资料和研究方法从振 动方面来研究，得到该排气歧管结构动力学特性以及影响其特性的一些因素，探索排气歧 管失效的根本原因，最后提出合理的改进措施以应用于工程实际中。 图1 - 2 排气歧管断裂实拍图 f i g 1 - 2t h ef a c tf i g u r eo fe x h a u s tm a n i f o l df r a c t u r e 国内已有学者应用有限元技术对排气歧管断裂故障进行过分析。其中，李红庆等采用 流固耦合的方法计算了内燃机排气歧管的热应力。计算结果表明，排气歧管裂纹产生处就 是热应力最大处，根据计算结果提出了改进建议，经试验验证改进措施有效1 。王继先等 针对排气系统在怠速状态下排气尾管振动强烈的现象，将模态试验分析技术和有限元模态 分析相结合，建立了排气系统有限元模型，基于a n s y s 软件和试验设备进行模态试验分析 和谐响应分析，并通过仿真结果对排气系统进行了改进设计 1 0 1 。李湘华，刘志勇等针对 排气歧管在实验过程中出现的开裂问题，直接应用有限元方法对其进行热应力分析和振动 分析，通过排除法断定开裂是由振动引起的，并提出了改进意见 1 1 1 1 1 2 3 。王立新等对排气 歧管样件在进行耐久性试验时出现的新裂纹现象进行了研究，通过对排气歧管进行振动分 析和热应力分析，断定排气歧管的断裂是温度过高和结构出现应力集中引起的，并提出整 改措施 1 a i 。 2 1 绪论 国外学者主要在排气歧管热疲劳断裂方面进行了研究，如s e i f e r t ，t h o m a s 等运用循 环可塑性和微裂纹计算方法，结合有限元方法和试验提出了排气歧管热载荷作用下的疲劳 寿命预测方法 1 4 1w a t a n a b e ，y o s h i m a s a 等对不锈钢排气歧管的断裂原因进行了预测，并 以拉伸一压缩试验获得的应力应变去曲线来保证预测的准确性，研究表明该排气歧管的破 裂时由于发生在高温下的热疲劳引起的1 1 5 | o 综合以上各位学者的研究，可以发现大多数成果只对排气歧管的断裂原因进行了分析 并提出了改进意见，但对高温下排气歧管的振动螺栓联接结构及其在热场下的表现等还没 有专门的研究。因此，本文将在这方面进行重点探索分析和研究。 1 2a n s y s 软件的介绍 a n s y s 是在2 0 世纪7 0 年代由a n s y s 公司开发的工程分析软件。开发初期主要应用 于电力工业，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能够 满足各行业有限元分析的需要“盯。a n s y s 软件是融结构、流体、电磁场、声场以及耦合 场分析于一体的大型通用有限元软件，其具有强大的有限元分析和优化设计功能。它能与 大多数c a d 软件连接，实现数据的共享和交换，a n s y s 自带的编程语言a p d l 可供用户以 a n s y s 为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具，其计算结果已成为各类工业产品设 计和性能分析的可靠依据。 a n s y s 软件的主要功能有静力学分析、动力学分析、热力学分析、流体分析、耦合场 分析、结构优化等。当惯性和阻尼对结构影响不显著时，可用静力学分析求解稳态外载荷 引起的位移、应力、应变和力，也可以考虑结构的非线性特性，如大应变、大变形、应力 刚化、接触、塑性变形、超弹性及蠕变等。 动力学分析包括模态分析、谐响应分析、谱分析和瞬态动力学分析，主要用来分析复 杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析包括稳 态热分析、瞬态热分析、相变分析和热一结构耦合分析，可处理热传递中传导、对流和辐 射这三种基本类型，计算系统或部件由于热载荷引起的温度分布及热梯度、热流率、热流 密度等参数。 流体力学分析可以分析流体层流、湍流和热流体时，分析类型可以为瞬态或稳态，分 析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压 力、流率和温度分布的图形显示。 结构优化时，通过定义设计变量、状态变量和目标函数等优化变量，可利用a n s y s 的优化工具和参数设计语言a p d l 对模型进行尺寸、形状、支撑位置、制造费用、固有频 率、材料等优化设计。a n s y s 程序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。对于这 两种方法，a n s y s 程序提供了一系列的分析一评估一修正的循环过程。 1 3 有限单元法 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中设立有限 西安理工大学硕士学位论文 个节点，将连续体看作是只在节点处连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值 作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规 律；进而利用力学中的某种变分原理去建立用以求解节点未知量的有限单元方程，从而将 一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，一经求解就可以利用 解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体的场函数1 7 1 。 有限单元法分析的一般步骤是：结构的离散化，选择位移模式，建立平衡方程，求解 节点位移，计算单元中的应力和应变。其中结构的离散化是有限元的基础。所谓离散化， 就是将分析的结构分割成有限个单元体，是相邻单元体仅在节点处相连接，而以此单元的 结合体去代替原来的结构。 选定离散结构所用的单元之后，要对典型单元进行特性分析，分析时首先要对单元假 设一个位移插值函数，或者称之为选择一个位移模式。选择了位移模式，就可以通过节点 的位移得到该节点所在单元体内任意一点的位移。同时，也可以用几何关系和应力应变关 系来导出单元体的应力应变关系式。一般情况下，要对结构通过某一种能量变分原理来建 立平衡方程、边界条件以及初始条件。 在计算中，第一步就是划分有限元网格1 1 9 1 ，当然，这首先需要建立一个完整的有 限元模型；在进行大型有限分析时，第二步是选择位移模式通常是和第一步捆绑在一起的， 在a n s y s 中划分单元时，要求指定所划分的单元的类型，在某一个单元类型中，同时也就 包含了位移模式，而对于相同的单元( 甚至相同的节点数) 、不同的位移模式，在程序中 会将它分配另外的编号。第三步建立平衡方程，一般情况下是看不到的，程序通常是根据 所求解问题的类型来分配相应的、最好的能量原理。例如，对于选择位移为基本未知量的 大型结构，程序会分配最小势能原理；对于大变形率相关弹塑性问题，程序就会设定最小 虚功率原理。第四步和第五步只需要选择一定的求解方程组的计算方法和相关的设置，程 序就会进行求解并得出节点的位移和其它量( 如应力、应变) 以及单元体内非节点值。 1 4 本文研究意义与内容 利用汽车发动机设计理论、有限元分析法、振动力学和热力学等相关知识，对某型轿 车的发动机排气歧管进行理论分析、建模及仿真，深入研究其振动特性，通过分析研究提 出改进方法为工程应用提供理论指导。课题的工作要点如下 ( 1 ) 应用p r o e 软件建立蠕墨铸铁排气歧管及其结合部的有限元模型； ( 2 ) 对发动机排气歧管进行模态分析，谐响应分析并结合动态结构试验分析装置综合 确定其固有频率，判断与正常工作的发动机是否发生共振； ( 3 ) 研究排气歧管的联接方式对其振动特性的影响，模拟排气歧管出气口端弹性联接 时的吸振作用； ( 4 ) 研究高温下排气歧管的热应力，以及热应力对振动特性的影响； ( 5 ) 研究出气口端法兰盘上螺栓布局、螺栓数目等对其热应力的影响，进行局部的结 构改进，以使热应力能够得到一定程度的降低。 4 2 排气歧管的结构动力学特性研究 2 排气歧管的结构动力学特性研究 动力学分析是用来确定惯性( 质量效应) 和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特 性的技术。 动态分析通常分析下列几种物理现象伽1 ( 1 ) 振动：如由于旋转机械引起的振动。 ( 2 ) 冲击：如汽车碰撞、锤击等。 ( 3 ) 交变作用力：如各种曲轴以及其他旋转机械等。 ( 4 ) 地震载荷：如地震、冲击波等。 ( 5 ) 随机振动：如火箭发射，道路运输。 上述每一种情况都由一个特定的动态分析类型来处理。按照运动方程的求解形式的不 同，动态分析又可以分为以下三种形式。( 1 ) 模态分析；( 2 ) 瞬时动态分析；( 3 ) 谐波响 应分析。 在a n s y s 软件中，动力学分析主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和谱 分析等，下文将会介绍到模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析的大致过程和步骤。 2 1 排气歧管的模态分析 为了从振动特性去分析某型该排气歧管产生裂纹的原因，先从模态分析去研究。模态 分析是确定机械结构固有振动特性的一种技术，每一个模态具有特定的固有频率、振型、 振型参与系数( 即在特定方向上某个振型在大多程度上参与了振动) 等。模态分析是多种 动态分析类型中最基础的内容。如果要进行谐波响应分析或瞬时动态分析，固有频率和振 型也是必要的。 2 1 1 模态分析 模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性即固有频率和振型。它也是其 它更详细动力学分析的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等。 结构模态分析是一个经典的分析领域n ，大量研究几种在模态数值分析求解技术方 面2 幻。对于一个多自由度系统，动力学方程2 3 1 可表示为： m g ) + c 】 g ) + k 】 g = 扩o ) ( 2 1 ) 式中：【m 】为系统的质量矩阵， c 】为阻尼矩阵，【k 为刚度矩阵， g ) 为节点位移向 量，【f 为节点载荷向量。 在求结构固有频率及振型时，可不考虑阻尼。因此，上式可简化为无阻尼自由振动方 程 m 】 g ) + 【k = 0 ( 2 2 ) 在此情况下，分析结构的固有频率和振型问题就转化为求解方程( 2 2 ) 的特征值和 特征向量问题。 西安理工大学硕士学位论文 在a n s y s 软件中，模态分析是一个线性分析，可以对有预应力的结构进行模态分析和 循环对称结构模态分析，前者可应用于带有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者可应用于 通过一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析乜钉。 a n s y s 软件提供了七种模态提取方法即：子空间( s u b s p a c e ) 、分块l a n c z o s 法( b l o c k l a n c z o s ) 、p o w e rd y n a m i c s 法、缩减法( r e d u c e d h o u s e h o l d e r ) 、非对称( u n s y m m e t r i c ) 、 阻尼法( d a m p ) 和q r 阻尼法。在大多数分析过程中将选用子空间法、缩减法和分块l a n c z o s 法，当用户指定某种模态提取方法时，a n s y s 软件会自动选择合适的方程求解器。 2 1 2 排气歧管的模态分析 模态分析是分析结构的动力特性，与结构受什么样的载荷没有关系，只要给定了质量、 弹性模量、泊松比等材料参数，并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和 振型( 也称为模态) 钉。要进行a n s y s 分析首先是要有分析模型，而a n s y s 分析模型的得 到有两种方法：一是在a n s y s 软件中直接建立分析模型；二是通过各种建模软件与分析软 件通用性的接口，直接将模型从建模软件导入到分析软件中。本文所研究的排气歧管由于 几何结构比较复杂，直接在a n s y s 软件中建立分析模型很耗时且结果不一定很理想，所以 选择上述的方法二。先在p r o e 中建立排气歧管的三维模型，然后将建立的三维模型进行 适当的简化2 6 1 ，简化的部位主要是模型中的小凸台、小圆角、倒角，因为这些小尺寸结 构会给后续的a n s y s 的网格划分以及分析带来一定的麻烦，并且简化后的模型要不会对后 续的分析结果产生很大的影响。最后利用p r o e 与a n s y s 软件的无缝接口将模型直接导入 到a n s y s 中，这就得到了a n s y s 中分析所需要的模型，如图2 2 。 圈2 - 1 排气歧管的三维模型 f i g 2 1t h e3 - dm o d e lo f e x h a u s tm a n i f o l d 图2 - 2 导入a n s y s 软件的排气歧管模型 f i g 2 2t h ee x h a u s tm a n i f o l dm o d e lo f a n s y s 在进行模态分析时，一般有以下几步 ( 1 ) 定义单元属性 在划分网格前，先要定义单元类型，本文选用的是s o l i d 9 2 单元，该单元的几何模型 如图2 3 所示。该单元是3 - d 带有中间节点的十节点四面体，有二次方位移和能很好划分 不规则的网格。每个节点有三个自由度：节点x 、y 、z 方向位移。并且单元有可塑性、蠕 6 2 排气歧管的结构动力学特性研究 变、膨胀、应力刚化、大变形和大张力的能力。 图2 - 3s o l i d 9 2 单元的几何模型 图2 - 4 排气歧管的有限元网格模型 f i g 2 3g e o m e t r i cm o d e lo fs o l i d 9 2u n i tf i g 2 - 4t h ef i n i t ee l e m e n tm e s hm o d e lo fe x h a u s tm a n i f o l d ( 2 ) 设置材料参数 本文分析的排气歧管材料为蠕墨铸铁，其材料参数如表2 1 所示 2 7 1 。 表2 - 1 材料性能指标 t a b 2 - 1m a t e r i a lp e r f o r m a n c ei n d e x 材料特性弹性模量密度波松比 蠕墨铸铁 1 6 l g p a7 3 0 0k g m 30 2 8 ( 3 ) 划分网格 有限元网格是进行有限元分析的基础，网格划分的好坏会影响计算速度以及计算精 度。总的来说，a n s y s 的网格划分有两种，第一种是自由划分网格( f r e em e s h i n g ) ，主 要用于划分边界在形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常 常对于复杂形状的边界选择自由划分网格。它的缺点是分析精度往往不够高。第二种是映 射网格划分嘲1 ( m a p p e dm e s h i n g ) ，该方法是将规则的形状( 如正方形、三棱柱等) 映射 到不规则的区域( 如畸形的四边形、底面不是正多边形的棱柱等) 上面，它所生成的网格 相互之间是呈规则的排列的，分析的精度也很高。但是，它要求划分区域满足一定的拓扑 关系，否则就不能进行映射网格划分。而且该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划 分网格差。本文选择自由划分网格 2 9 1 得到如图2 - 4 所示的排气歧管网格模型。 ( 4 ) 施加载荷和约束 在a n s y s 的术语中，载荷( l o a d s ) 包括边界条件和外部( 或内部) 作用力，即位移 边界和力边界。在不同的学科中，载荷的具体含义也不尽相同，在结构分析中的载荷实例 为：位移、力、压力、温度( 热应变) 和重力。结构分析：位移、力、压力、温度、重力 等。对于不同学科的载荷而言，程序中的载荷可以分为六类： d o fc o n s t r a i n t ( d o f 约束) 7 西安理工大学硕士学位论文 将某个自由度用某一已知值固定。在结构分析中约束被指定为位移边界条件或者对称 边界条件，在热力分析中为温度和热通量平行的边界条件。 f o r c e ( 集中载荷和力载荷) 施加于模型节点的集中载荷。例如，在结构分析中被指定为力和力矩；在热力分析中 为热流速率；在磁场分析中为电流段。 s u r f a c el o a d ( 表面载荷) 为施加于模型节点的集中载荷。例如结构分析中的压力、热力分析中的对流和热通量。 b o d yl o a d ( 表面载荷) 施加体积载荷或者场载荷。例如，在结构热分析中的体积膨胀、内生成热；磁场分析 中的热流密度。 i n e r t i a ll o a d s ( 惯性力载荷) 由物体惯性引起的载荷，如重力加速度，角速度和角加速度。主要在结构分析中使用。 c o u p l e d - f i e l dl o a d s ( 耦合场载荷) 为以上载荷施加的一种特殊情况，是从一种分析得到的结果作为另一种分析的载荷。 例如，可以施加磁场分析中计算的磁力作为结构分析中的力载荷。 ( 5 ) a n s y s 求解计算和后处理。 由于实际中排气歧管进气口端是和发动机气缸体直接连接，而出气口端连接柔性结 构。在约束的施加上暂不考虑出气口的柔性联接，对进气口端法兰面上的螺栓孔施加全约 束。经过计算，得到排气歧管前十阶的固有频率及最大变形如表2 2 所示，并扩展十阶 模态得到排气歧管的各阶振型图如图2 5 。 表2 2 排气歧管前1 0 阶的模态分析 t a b 2 - 2t h et o p10l e v e l sm o d a la n a l y s i so f e x h a u s tm a n i f o l d 阶次 固有频率( h z ) 最大变形( m m )振型 l7 2 3 3 60 8 6 3 2 整体在x o z 面上下振动 21 8 7 2 51 1 1 8 整体在x o z 面上下扭转 32 3 3 9 30 8 5 2 7 整体向左下方的扭转 42 7 2 9 31 7 0 9 2 号法兰右下角螺栓孔向外的扭转 53 4 6 1 81 4 6 8 2 号法兰最右端两螺栓一上一下扭转 6 3 8 8 3 1 1 1 6 9 局部的扭转 74 1 3 2 61 4 8 2 2 号法兰向右上方的扭转 84 7 5 4 92 5 1 9 2 号法兰右上角的螺栓的弯曲和扭转 94 9 0 1 05 2 5 3 2 号法兰右下角的螺栓的局部弯曲 1 05 5 2 8 92 8 2 2 2 号法兰四周螺栓孔的向上弯曲 ( 注：2 号法兰面如图2 - 4 所标注) 2 排气歧管的结构动力学特性研究 + ( a ) 第一阶模态振型图 。( a ) t h ef i r s to r d e rm o d a ls h a p em a p c o ) 第三阶模态振型图 ( b ) 第二阶模态振型图 ( d ) 第四阶模态振型图 ( c ) t h et h i r do r d e rm o d a ls h a p em a p( d ) t h ef o r t ho r d e rm o d a ls h a p em a p ( e ) 第五阶模态振型图 ( f ) 第六阶模态振型图 ( 剖t h ef i f t ho r d e rm o d a ls h a p e m a p( f ) t h es i x t ho r d e rm o d a ls h a p em a p 函 西安理工大学硕士学位论文 ( g ) 第七阶模态振型图 ( g ) t h es e v e n t ho r d e rm o d a ls h a p em a p ( h ) 第八阶模态振型图 ( h ) t h ee i g h t ho r d e rm o d a ls h a p em a p ( i ) 第九阶模态振型图 ( j ) 第十阶模态振型图 ( i ) t h en i n t ho r d e rm o d a ls h a p em a p ( j ) t h et e n t ho r d e rm o d a ls h a p em a p 图2 - 5 排气歧管的前十阶振型云图 f i g 2 5t h et o pt e no r d e rm o d e sc l o u do f e x h a u s tm a n i f o l d 从图2 - 5 和排气歧管模态分析后处理的变形动画中可以很清楚地看到，前两阶的振型 主要表现为整体的上下振动，也就是说低频时该型排气歧管的振动主要是整体的上下振 动，而后几阶则主要表现为出气口端法兰面其上螺栓孔的局部振动变形，主要是弯曲扭转 以及相对复杂的这两种状态的混合。此外，由图2 - 5 还可以得到排气歧管各阶最大振动变 形出现的部位以及相对的变形量。排气歧管每一阶的最大变形量以及产生的部位是不相同 的，其中第九阶的变形量最大( 为5 2 5 3 m ) 出现在二号法兰面右上角的螺栓孔上，第三 阶的变形量最小( 为0 8 5 2 6 9 7 衄) 出现在右下角的螺栓孔上。总之，通过对该排气歧管 进行模态分析，可知出气口法兰面及其上螺栓孔是排气歧管振动和变形较为严重的部位。 2 1 3 共振特性的评判 该型排气歧管的发动机是四缸四冲程，由文献 8 1 得到直列式发动机脉动主频率计 算公式 i o ， i 。刀 j l2 3 0 r ( 2 3 ) 2 排气歧管的结构动力学特性研究 其中，f 气缸数，疗为发动机曲轴转速；f 为发动机冲程数。取发动机正常转速为6 0 0 6 0 0 0 r r a i n ，代入公式( 2 3 ) 计算得六= 2 0 - 2 0 0 h z ，该值远远低于排气歧管的固有频率。 因此，在发动机正常工作范围内发动机不会与排气歧管产生共振，说明该排气歧管在振动 方面设计是安全的。但如果考虑汽车行驶时车速、行驶路况以及车体结构等因素带来的振 动影响，排气歧管仍有可能与其产生共振，因此有必要进一步研究排气歧管的振动特性。 2 2 排气歧管的动态特性试验 为了验证前文a n s y s 软件模态计算结果和有限元模型的正确性，作者进一步对排气歧 管进行了动态特性试验钡9 试，得到了其固有振动特性。 2 2 1 试验原理 a 机械系统常见动态特性测试原理 机械系统的振动是由系统输入、系统特性、系统输出( 响应) 三个环节有机组成的。 通过测量输入和输出获得系统固有特性函数的过程，就是所谓的试验模态分析咖1 。动态 测试是模态实验的第一个环节，进行动态测试必须合理地选择实验方法和实验仪器并准确 地测量输入( 激励) 和输出( 响应) 信号。