（车辆工程专业论文）某车型排气系统疲劳耐久性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国汽车工业的高速发展 对汽车各部件的性能日益关注 其中 疲劳耐久 性就是部件性能的重要组成部分之一 排气系统 作为汽车上必不可少的重要部件 它的疲劳寿命问题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 统疲劳耐久性分析整体建模的参考 本文在国内外汽车排气系统疲劳耐久性c a e 分析技术领域的相关研究成果基础上 运用有限元分析方法 在h y p e r m e s h8 0 中完成了某车型排气系统有限元网格划分及 模型建立 并参照通用汽车g m w l 4 2 0 2 汽车排气系统评价分析流程 利用n a s t r a n 对所 建有限元模型进行了计算模态分析 同时利用l m s 测试仪器系统完成了实体的试验模 态分析 然后将两者的分析结果进行对比以检验模型的置信度 置信度合格的模型才 能用于后续计算分析 基于模态置信度检验后的高准确度模型 在h y p e r m e s h8 0 中建立起了有限元应 力分析模型 对排气系统模型施加载荷后完成了模型的应力分析 获得了排气系统的 应力分析结果 然后将该结果导入到m s c f a t i g u e 中 完成材料s n 曲线和载荷特性 的设定后 利用p a l m g r e n m i n e r 损伤累积理论完成了该排气系统的疲劳寿命分析 由于疲劳分析结果显示并未满足设计要求 有必要对排气系统进行改进 完成对改 进方法的讨论与取舍后 选择了先改动波纹管刚度 而后对吊钩位置进行调整的方法 按照疲劳分析过程对修改后模型进行了分析 结果显示改进效果良好 已基本达到设 计要求 说明该方法行之有效 可尝试用于指导解决工程实际问题 关键词汽车排气系统 疲劳耐久性分析 改进设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 mu m m 一 mn 曼曼皇皇曼量皇皇曼舅舅曼曼曼 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o m p o n e n t so nt h ec a rg r o w i n gc o n c e r n a m o n gt h e m t h ef a t i g u ed u r a b i l i t yi sa ni m p o r t a n t a s p e c to ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o n e n t s e x h a u s ts y s t e m a sa ne s s e n t i a lc o m p o n e n t so f ac a r i t sf a t i g u el i f ei s s u e sh 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 s s 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 tg a pb e t w e e nt h el e v e lo f r e s e a r c ho v e rt h es a m ep e r i o da b r o a d s oi t sn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nr e s e a r c hi nt h ef i e l dt o m 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 so 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 n e x t e n tt ot h i sf i e l d a n di tc a nb et h er e f e r e n c e so ft h eo v e r a l lm o d e l i n go ft h ee x h a u s ts y s t e m o ff a t i g u ed u r a b i l i t ya n a l y s i s i nt h i sp a p e r b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t so ft h ec a ea n a l y s i st e c h n o l o g yf i e l do f a u t o m o b i l ee x h a u s ts y s t e mf a t i g u ed u r a b i l i t yd o m e s t i ca n df o r e i g n c o m p l e t e dt h ef i n i t e e l e m e n tm e s h i n ga n dm o d e l i n go fav e h i c l ee x h a u s ts y s t e mi nh y p e r m e s hv e r s i o n8 0 a n d f i n i s h e dc o m p u t a t i o n a lm o d a la n a l y s i so ft h ef i n i t em o d e li nn a s t r a n w h i l el e v e r a g i n gl m s t e s ti n s t r u m e n t a t i o ns y s t e mt oc o m p l e t ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so ft h ee n t i t y b o t h r e f e r e n c et og e n e r a lm o t o r ss t a n d a r dg m w l 4 2 0 2 e x h a u s ts y s t e mm o d a la n a l y s i s e v a l u a t i o np r o c e d u r e a n dt h e nc o m p a r et h et w or e s u l t si no r d e rt ot e s tt h em o d e lc o n f i d e n c e c o n f i d e n c ec a nq u a l i f yf o r t h ef o l l o w u pc a l c u l a t i o nm o d e l b a s e do nt h eh i g ha c c u r a c ym o d e la f t e rm o d a lc o n f i d e n c et e s t e s t a b l i s h e daf i n i t e e l e m e n ts t r e s sa n a l y s i sm o d e li nh y p e r m e s hv e r s i o n8 0 a n do b t a i n e dt h es t r e s sa n a l y s i s r e s u l t sf 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 ni m p o r t e d t h er e s u l t si 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 ee x h a u s ts y s t e m u s i n gp a l m g r e n m i n e rc 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 st h ef a t i g u ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w st h a tt h ee x h a u s ts y s t e md o n tm e e td e s i g n r e q u i r e m e n t s i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ee x h a u s ts y s t e m c h o o s i n gi m p r o v i n gm e t h o d s a r ec o m p l e t e da f t e rd i s c u s s i o n f i r s t c h a n g es t i f f n e s so ff l e xd e c o u p l e r a n dt h e na d j u s tt h e p o s i t i o no fh a n g e r s a f t e ra n a l y s i so ft h em o d i f i e dm o d e li na c c o r d a n c ew i t hf a t i g u ea n a l y s i s p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wi m p r o v e m e n t sw o r k sw e l l h a sb a s i c a l l yr e a c h e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s i n d i c a t i n gt h a tt h em e t h o dw o r k sw e l l a n dt h em o t h o dc a l lu s e dt ot r yt og u i d e t h er e s o l u t i o no fe n g i n e e r i n gp r o b l e m 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 a t i g u ed u r a b i l i t ya n a l y s i s i m p r o v e dd e s i g n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有 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 本人授权西南交通大学可 以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复印手 段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密d 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 池璀 同期 训 箩 诟 指剥撇 4 漏 日期 易 口 h 石 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 l建了某车型排气系统有限元模型 然后采用计算模态分析和试验模态分析结果 对比分析的方法对模型的置信度进行了检验 解决了建模过程中的构件简化 连接关 系处理等问题后 进而利用高置信度的模型建立了排气系统的的有限元应力分析模型 并完成了该排气系统的疲劳寿命计算分析 鉴于目前国内对排气系统疲劳耐久性分析 的c a e 研究方法及成果较少 提出的分析方法将对该领域有一定程度的补充 可作为 排气系统疲劳耐久性分析的参考 2 该排气系统的疲劳分析结果显示不符合寿命设计要求 需要对排气系统进行改 进 本文完成了改进方法的讨论与选择 并应用选择的方法对排气系统结构进行了修 改 取得了满意的效果 说明该方法可行 可尝试用于指导解决工程实际问题 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 濯 夕渺 名 0 签 d 醚 作 耻 划 瑚 沦 位学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i ii ii i ii o 鼍曼皇曼曼皇曼曼曼 第一章绪论 当代汽车工业已成为国民经济支柱产业之一 其发展水平反映了一个国家工业技 术的综合水平 而是否具有独立自主的产品研发设计能力 则关系到民族汽车工业的 生死存亡 现阶段 国内越来越多的汽车企业已将自主设计开发能力作为其发展战略 的重要环节 力求技术上在行业内具有足够的竞争力 然而达到这个目标 选择适当 的技术突破点并逐步积累和提升是关键 目前 在各类车型上广泛应用的各种排气系 统 因与整车振动噪声性能密切相关 其结构与性能设计已成为车型开发中关注的焦 点 而属于排气系统性能领域的疲劳耐久性分析 因其在行业内的研究水平较低 可 作为企业发展产品自主设计能力的切入点 1 1 研究背景及意义 排气系统作为汽车中的一个重要构成部分 不单只直接影响着车辆的n v h n o i s e v i b r a t i o n h a r s h n e s s 性能 还起到对排气的催化净化作用 另一方面 排气系统 作为与发动机废气直接接触部件 承受着化学腐蚀 高温作用以及交变力的影响 在 这些因素的共同作用下 排气系统的耐久性必然受到严峻的考验 为了研究排气系统的n v h 性能 国内研究者利用各种方法对排气系统进行了声场 流场和温度场等分析研究n 2 t3 4 j 而国外在这些方面的研究已能借助试验来验证c a e 分析 结果 得到了许多实质性的研究成果 如j u h ap l u n t 利用传递路径法和c a e 模型相结合 的方法对排气系统的振动及噪声问题进行了研究 1 m u r a l im r k r i s h n a 利用顺序耦 合法完成了排气系统的发动机排气歧管的隔声板的有限元声场分析阳1 m a s a y u k ik u b a 等人基于c f d 软件利用有限体积法排气系统歧管进对温度和流场进行了计算分析 得到 了热应力分析结果口3 因为得到了足够的重视 特别是随着相关软件功能的不断强大 分析的过程也变得越来越简单快速而有效 相比较而言 国内排气系统疲劳耐久性的研究分析及技术开发明显滞后于国外同 期水平 国外排气系统疲劳耐久性方面已有较长时间的积累 且仿真分析和实体试验 已能很好的结合起来 盘i c r i s t i a n ad e l p r e t e 等人完成了排气歧管的热结构应力的仿 真分析 并讨论了热疲劳下的易损位置踊3 i f e r n a n d e z 等人对排气系统焊缝的耐久性 进行了预测 并讨论了疲劳寿命的影响参数阳3 g u yl e d e r e r 等人采用有限元的方法对 排气歧管进行了热疲劳分析 得到了失效位置及整体疲劳寿命n 而国内在基于有限 元技术对动载荷作用下的排气系统疲劳耐久性研究相对较少 且在试验方面 大多数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼舅一 i ll m 1 1 1 1il l 鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼置 企业不愿承受汽车排气系统的结构疲劳耐久性的高昂试验费用 更不愿花费时间在开 发周期上 于是 利用有限元技术完成交变力作用下的排气系统寿命分析也就成为了 本文研究的关键问题 即研究排气系统的结构疲劳性能 排气系统是通过前段固定在发动机排气歧管法兰上 中间通过橡胶吊挂把焊接在 它上面的挂钩和车身相连接 因为排气系统本身是一个较长的部件 又由于中间采用 了波纹管 这样在汽车行驶或者是怠速时 会受到各种干扰力的影响 比如路面不平 的激励 发动机排气冲击 加速 制动等 势必会使排气系统发生扭摆 在这样的交 变力作用下 在排气系统的应力集中部位 将会发生疲劳损伤 当损伤累积达到一定 程度时 就会导致出现疲劳裂纹甚至断裂 因此 考虑排气系统结构疲劳特性就成为 了一个需要解决的关键技术问题 并且可以通过这个过程来判断疲劳断裂易发位置 实际上目前的排气系统寿命和汽车本身报废年限往往有着较大差距 一辆汽车法 定年限内使用两个甚至更多个排气系统 且耐久性问题已成为市场竞争中的主要指标 反映了行业设计 工艺 制造 使用 管理乃至整个国家的综合技术水平 长期以来 由国外直接进口的排气系统或者国外的相关配套厂商提供的排气系统总成在寿命方面 明显优于国内 排除材料的影响 在设计制造方面的差距还是较大 其实从生产形式 上也很明了 国内的配套厂商多是以生产为主 很少有自己的技术研究团队n 因此 工程界急需有相应的研究来指导早期的性能设计与开发 由此来改变国内在该领域的 落后状况 本课题力求在该方面有所进展 使其成果具有一定的理论意义和工程应用 价值 1 2 国内外研究现状 随着人们对汽车相关系统和零部件寿命的不断重视 工作条件恶劣的排气系统自 然成为了重点关注对象 而结构疲劳作为排气系统耐久性分析中的重要内容 国内外 都给予了疲劳开裂的专题性研究 由于排气系统和发动机直接相连 是在较高的工作温度下承受着复杂的载荷工况 在耐久性研究中对必须具备的试验设施 软件等的要求很高 试验手段缺乏 研究难 度很大 国内尚未广泛开展针对排气系统机械疲劳失效的实用性试验 计算及理论的 系统性研究工作 所开展的机械疲劳可靠性工作多局限于根据设计经验提高失效部件 的结构强度或进行类比改进的个案n 副 将改进后的产品利用发动机台架进行考核 成 功改进的风险极大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 上世纪九十年代以来 国外许多研究单位在排气系统的疲劳耐久性设计方面 进 行了许多相关方面的研究 女h v l a d i m i ro g a r e v i c 对汽车部件的热疲劳损坏评估方法进 行了讨论 1 d a v i df a n 等人基于等效损伤理论 依据采集谱对垂向和侧向进行激励 完成了排气催化转化器疲劳试验台架试验n 4 1 j r c r u m 等人对波纹管的疲劳失效机制 进行了讨论n 别 r a l fw o h r m a n n 采用有限元分析和试验分析相结合的方法对排气歧管进 行了疲劳寿命分析 并依据分析结果对结构进行了优化n 引 在结构疲劳设计方面起步 较早 1 8 5 2 1 8 6 9 年间 经典的s n 曲线就被利用来描述疲劳 并提出了 耐久极限 的概念n7 在接下来的一百多年里 对结构疲劳的分析研究一直在继续 相继提出了 疲劳累积损伤 随机疲劳 等理论n 引 得到的许多成果也已经用于工程实际 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 等人讨论 排气系统了采用4 3 0 l n b 这种新铁素体材料作为焊接材料时的疲劳耐久性问题n9 s u n g h w a np a r k 等人对排气歧管的热阻合金的发展进行了介绍 并对排气歧管在低周疲劳和 高温度下的金属特性进行了研究乜引 a t s u s h im i y a z a k i 等人对排气系统金属在高温工 作条件下的疲劳寿命进行了讨论乜 而国外企业在这方面也投入较多 取得了相关方 面的许多研究成果 如日本丰田汽车公司的的y o s h i m a s aw a t a n a b e 采用有限元的方 法对排气歧管进行了热疲劳寿命预测瞳引 日本日产汽车公司的n a o h i s am a m i y a 等人采 用有限元分析和c f d 分析相结合的方法对排气歧管进行了寿命预测 并和试验结果进行 了对比 相符程度较高 由此得到这种方法应用到排气歧管的开发上 极大地缩短了 开发周期及费用乜3 1 美国福特汽车公司r m h a z i m e i j 用瞬态非线性有限元分析和热结 构寿命评价的方法对排气歧管浇注件进行了疲劳分析 经与试验结果对比 吻合程度 较高乜4 m a h m o u da w a d 等人对常量和变量下的疲劳寿命回归模型进行了讨论 并完成 了与随机疲劳模型的比较乜5 其他大型汽车公司也都花费了很多的人力和物力来研究 汽车的疲劳特性 有些企业还提出了等寿命设计原则 这些都对排气系统的疲劳耐久 性分析起到了极大的促进作用 国外由于有较长时间的积淀 已经具有着很强的研究 指导工程实际路线 一些先进的汽车厂家已经将汽车排气系统的寿命设计纳入产品开 发的常规内容 而国内在这方面明显还比较薄弱 尽管国内对排气系统机械疲劳作用下的耐久性 性研究不曾间断 但由于缺乏相关试验手段等因素 总体水平仍较低 主要原因也是 起步时间较晚 直到近些年 疲劳分析 等寿命设计才被人们所重视 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 业大学等各大研究院所 高校和企业都着手于这些方面的研究 其中庞健的论文总结 了对汽车排气系统耐久性的明确指标 即许用应力要大于许用热应力及许用结构应力 的均方根值乜引 曹丞提出借助c a e 方法 在排气系统橡胶吊挂位置进行准确加载 可以 完成对排气系统耐久性的预测乜利 而哈尔滨工业大学的季振林教授 上海交通大学的 张建武教授等在排气系统模态振动等的研究成果乜8 t2 9 1 为开展疲劳耐久性分析研究完成 了很好的先期工作 山东理工大学的石莹等人初步完成了汽车排气系统早期损坏问题 的研究和改进设计啪1 促进了我国在排气系统疲劳耐久性分析方面研究工作的发展 而我国汽车企业也自然不会忽视这方面 上汽通用有限公司 吉利汽车有限公司的相 关部门都在这方面进行了研究并已取得一定成果n 2 3 引 而汽车企业对提供排气系统的相 关配套厂商 在耐久性方面更是提出明确的要求 应该做这方面的相关分析工作来确 保排气系统的使用寿命 国内业界在这方面的研究成果用于指导工程实际的情况并不 太多 特别对于中小型汽车 市场的激烈竞争使汽车企业及零部件配套厂的工作重心 明显偏向减轻重量 节约成本 研发工作本身即受到明显制约 更谈不上投入太多的 资金与时间来进行开发工作 1 3 研究目的和研究内容 1 3 1 研究目的 总结国内的研究状况 借助c a e 技术完成机械结构的疲劳耐久性分析已逐渐用于 辅助工程实际 但应用于排气系统分析设计上确有不足 主要问题在以下三个方面难 以统一 理论分析依据 建模处理及载荷施加 目f j 排气系统的设计分析逐渐向有限元分析设计发展 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 本课题的研究工作将以有限元分 析为主要手段而展开 相应地 研究目标则定位于 根据某车型排气系统的c a d 模型 得到有限元模型 利用高置信度的有限元模型 通过添加与实际工况尽量相近的边界 条件 进行结构应力分析 并通过后续的疲劳耐久性分析揭示出模型中的疲劳损坏易 发位置 进而根据分析结果提出合理的改进方案 该分析过程结束后 力求在排气系 统疲劳耐久性分析三个难以统一的问题上有所突破 并总结出一般性方法 1 3 2 主要研究内容 1 制定汽车排气系统疲劳耐久性分析流程 阐明理论分析依据 依据分析过程 中各个环节的内在联系 制定合理的排气系统分析流程 并对常用于评价结构寿命的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 理论进行介绍说明 2 获取排气系统模型参数 建立c a e 分析模型 验证模型的置信度 提高模型 精度 本模型为现有某车型的排气系统 既有c a d 模型 又有实体 建模参数可以通 过测量 测试等方法获取 建立的有限元模型需要通过对比计算模态结果和实验模态 结果来验证置信度 从而提高模型的准确度 3 施加有限元边界条件 完成该模型的结构疲劳耐久性分析 完成疲劳耐久性 分析需要对边界条件进行合理设定 才能较好的反映出实际状态 因此 加载过程中 需要尽量模拟出装车情况下的受力及振动情况 4 基于疲劳耐久性分析结果进行排气系统结构改进设计 改进设计过程中需要 关注修改的可行性 因此 需要进行排气系统结构修改的可行性分析 从而制定出合 理方案 并对比设计要求对修改后模型检验 5 总结研究过程 得到排气系统模型疲劳分析方法与结构优化的一般化方案与 准则 建立起规范 有序和高效的技术实施过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章排气系统疲劳耐久性分析流程及理论依据 2 1 概述 排气系统的疲劳耐久性与应力集中 尺寸 表面状况以及所受载荷等都有着密切 的关系 都影响着排气系统的寿命 排气系统常见失效形式有 巽 邋 一 1 0 41 0 sj i a i i 矿 1 伊1 0 t 断裂时循环次数 图2 1 典型应力一寿命曲线 1 高周疲劳失效 高周疲劳是指零件在小于或远小于材料屈服应力的循环载荷作 用下产生的疲劳破坏 其主要特点是 名义应力远小于材料屈服极限没有显著的屈服 变形疲劳寿命一般在循环次数以上 多数材料具有交变疲劳强度极限 如图2 1 口 为 典型金属应力幅值和循环次数的关系 排气系统的疲劳开裂多属于高周疲劳开裂 2 热负荷及机械负荷作用下的耦合应力超过材料的强度极限 使零件产生破坏 在高温 高机械负荷作用下 如果设计不当 将严重影响其工作性能 引起排气系统 断裂失效 3 材料特性变化诱使部件失效 材料的物理特性多随着温度的变化而发生变化 如弹性模量 热传导率 线膨胀系数等b2 热传导率及线膨胀系数的改变影响到排气 系统的疲劳寿命 温度升高后 其疲劳强度较常温下疲劳强度会降低 4 高温燃气的腐蚀作用促使排气系统过早发生疲劳开裂 排气系统的腐蚀主要表 现为气体腐蚀与酸性介质腐蚀两类 高温气体腐蚀速度与温度成单调上升关系 记3 高 温气体恶化了排气系统的工作环境 5 高温蠕变影响排气系统失效 蠕变阙值温度珍 0 3 0 5 砌 砌为材料的 熔点 单位纸钢材的熔点为1 7 0 0 k 左右 发生蠕变作用时 在其它条件 温度八 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 应力盯等 一定的情况下 物体的变形 应变 随时间而增加 副 高温蠕变变形f 主要是时间f 温度 和应力盯的函数 占 t 乃仃 6 焊点失效脱落 长期工作在高温情况下受交变力的影响会导致焊点强度变低 导致失效现象发生 一般情况下 排气系统的机械疲劳开裂断裂由多种因素如热负荷 机械负荷 材 料性能变化等互相影响 耦合导致 发动机及路面传递给排气系统的机械负荷带有显 著的冲击性 在发动机起动 加速 通过不平整路面以及其它突变工况下 对应排气 系统工作过程的任一瞬间 各部位始终处于一种突发性极强的负荷快速突变及传输过 程 排气系统承受的实际应力可能小于材料的疲劳强度 但由于金属材料受到动载荷 的持续作用 经过长时间循环后可能导致排气系统产生裂纹 要全面地考虑排气系统的机械疲劳失效问题 需要对涉及的所有因素进行深入的 研究 这将是一个庞大的项目 排气系统承受的工作载荷及环境异常复杂 要在全面 精确地考虑各种影响因素下准确地评价其耐久性状况是不现实的 在引起排气系统结 构疲劳损伤的各种因素中 热负荷 材料性能 材料在高温下的性能变化等对排气系 统寿命会产生较大的影响 更主要的因素则是结构设计问题 2 2 排气系统疲劳耐久性分析的技术流程 2 2 1 基础数据获取流程 建立有限元模型所需的基础数据可分为两类 可直接获得的基础数据和不可直接 获得的基础数据 可直接获得的数据是指可直接由图纸 c a d 模型 查阅资料等直接可 得到的数据 这类数据具有确定性 获取方法也比较简单 不可直接获得的数据是指 借助试验测试以及理论计算或是仿真试验而得出的数据 这类数据由于中间过程较为 繁琐 故得出的数据往往偏差较大 即具有不确定性 对这类数据 得到后可观察其 代入模型后的仿真结果是否与实际测试结果相符 如相符则可判断其可信 如不相符 合 则需进行重新修正定义n 制 在建立有限元模型之前 首先要明确所建模型的具体结构以及各构件之间的约束 关系 然后对实际的物理模型作合理的简化 抓住主要因素 忽略次要因素口瓦3 引 一般 情况下 建有限元模型之前需要考虑以下几个问题 1 功能构件的简化 为减小建模时的困难 可以在考虑功能构件在模型中作用的前提下 对构件进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 适当的简化 使构件在模型中保证功能的前提下 尽量减小做整体计算时的计算量 以排气系统整模型为例 采用整体有限元建模 模型中的波纹管和每个橡胶吊挂可以 分别用代表x y z 三个方向的独立弹簧代替 2 建模参数的获取 建立有限元模型时 模型参数的获取至关重要 它不仅是建模的前提 也是模型 建立精确与否的关键 模型参数大致分四类 模型外形参数 几何参数 材料参数 主 要材料密度 刚度等 弹性元件参数 刚度 阻尼等 边界条件参数 受力大小 频 率等 模型参数的获取有多种方法 测量法 计算法等 a 模型外形参数的获取 该参数用来反映模型中各零部件的几何尺寸 模型外形 参数可以通过量取c a d 图的方法来直接获取 某些参数不能直接从c a d 图中得到 可 以利用测量法在实际模型上进行量取 b 材料参数的获取 模型材料参数的设置直接影响后续计算的准确性 零部件的 材料参数一般直接可以通过查找相关资料找到 在建模时只需根据各个部分材料的不 同对应设置即可 如果遇到有些材料的特性不能准确定义 可以通过试验 计算 秤 重等方法取得 c 弹性元件参数的获取 该参数一般指弹性元件的刚度 阻尼等 这些参数对排 气系统的整体有限元模型计算着至关重要的影响 他们一般可以从供应商提供的图纸 中查到 d 边界条件参数的获取 边界条件参数主要指受力的大小 频率等 有限元模型 建立好后 在计算疲劳耐久性分析时需要加载边界条件 加载是否得当 将直接影响 模型计算结果是否反映出实际情况 3 模型假设 应用有限元理论建立排气系统有限元模型时 为了追求模型与实体相吻合 往往 尽可能多地考虑影响模型计算精度的因素 但是 随着模型复杂程度的增加 仿真计 算所需的初始参数也需要愈加翔实 如果所有的初始参数不能比较准确地得到 反而 会降低仿真计算结果的精度 因此 在建模工作中 在满足实际工程研究需要的前提 下 可以对模型 边界条件进行一些合理的假设简化也是必要的 2 2 2 疲劳耐久性分析总体流程 汽车排气系统的疲劳耐久性分析涉及到有限元计算 振动测量技术等学科领域 其主要研究环节从宏观上将包括排气系统有限元模型的建立 有限元模型准确性检验 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 与模型校正 疲劳耐久性分析及模型修改三个方面 在建立汽车排气系统有限元模型时拟采用有限元法完成模型的建立 边晃条件的 施加 根据所研究的问题 需要对模型进行必要的简化和假设 而后需要获取必要的 基础数据 基础数据的翔实与可靠性也是功能虚拟样机能否实现其效能的关键 在获 得比较翔实的基础数据之后便可以开始对c a d 模型进行有限元处理 此时需要考虑的 是选用合适的有限元建模软件 在有限元建模领域的仿真分析软件数量繁多 比如 a n s y s p a t r a n h y p e r m e s h 等 其中h y p e r m e s h 以其快捷专业的网格划分功能 使该 软件使用起来既直观又方便 本文亦采用h y p e r m e s h8 0 软件进行排气系统有限元建 模 边界条件施加 而后用n a s t r a n 进行仿真计算 有限元模型准确性的检验与校正则是对模型置信度的检验 以确保功能有限元模 型能比较真实的反映排气系统实体的实际性能 对有限元模型的检验通常需要和实体 的试验相结合 在整个有限元模型检验的过程中包含着试验设计 试验测试 仿真计 算 对比分析等子过程 试验设计过程既包含对排气系统实体的试验设计也包含着对 有限元模型的试验设计 两者方法相对应 以便试验结果可以直接作对比分析 而试 验设计的合理性直接关系 u 者的测试结果能否真实的反映该有限元模型的置信度 相应的试验测试与仿真计算过程则是根据试验设计分别对排气系统实体模型以及有限 元模型进行测试及计算 对比分析过程则是排气系统实体模型的测试结果与有限元模 型的计算结果进行对比 以发现两者之间的差异 而后对有限元模型进行修改并重复 上述过程以使两者趋同 在建立有限元模型过程中 由于基础数据的不准确 或是各 组件之间处理不当均可导致有限元模型仿真计算时失真 因此 对有限元模型的检验 与校正往往是一个反复的过程 对排气系统有限元模型的疲劳耐久性分析以及改进设计是最终目的 对排气系统 有限元模型的疲劳耐久性分析采用m s c p a t r a n 里面的f a t i g u e 模块模拟装车时的行 驶状况下完成 揭示出模型中的疲劳损坏易发位置 而后提出模型修改方案 对排气 系统有限元模型进行改进设计并确定最后方案也是一个需要不断反复的过程 基于上面对排气系统疲劳耐久性分析过程 可以总结出一般性方法 以作为指导 排气系统耐久性分析和设计的核心思想和路线 前文三个部分内容的总体流程图见图 2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼i i i i i 一n i i 一一i n 一 i 皇舅量曼曼皇曼曼 曼曼璺 图2 2 排气系统疲劳耐久性分析研究总体流程图 2 3 排气系统疲劳失效与安全判据 疲劳破坏过程大致经历着三个阶段 首先是疲劳裂纹产生 其次为疲劳裂纹扩展 第二阶段又可分为裂纹扩展第1 阶段和第1 i 阶段 最后是疲劳断裂阶段n 巩叫 在工程实 践中 又常把这四个时期综合为两个阶段 也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展 阶段 裂纹形成阶段包括疲劳成核期和微观裂纹增长期 疲劳裂纹扩展阶段包括宏观 裂纹扩展阶段和最后断裂阶段 相应地将疲劳寿命划分为疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂 纹扩展寿命两部分 对于低周疲劳 裂纹形成早 无裂纹寿命短 疲劳的总寿命近似 等于裂纹扩展寿命 所以在低周疲劳寿命设计中 主要考虑裂纹扩展寿命 但在高周 疲劳中 由于多数结构部件的失效时间主要发生在裂纹萌生阶段 因此将结构疲劳寿 命定义在裂纹萌生阶段是一个相对合适和保守的方法口8 排气系统属高周疲劳寿命结 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 构 所指的疲劳失效主要是指疲劳裂纹形成 同时 结构的疲劳可靠性分析也可以分为两个层次m 1 即单一结构构件的疲劳可 靠性分析和结构系统的疲劳可靠性分析 显然 对于排气系统的疲劳耐久性问题应从 结构系统整体的角度来加以研究 这样也使得分析更具实际意义 失效单元的疲劳耐 久性分析是系统疲劳耐久性分析的基础 结构疲劳寿命的评估可以分为疲劳裂纹萌生段的评估和疲劳裂纹扩展段的评估 要准确估算结构的疲劳寿命 首先要获得准确的时间一载荷历程 即对结构进行应力 应变的分析计算 了解随机动应力作用下结构危险部位的疲劳损伤状况 它可以分别 在时域和频域中进行 目前有如下几种方法都可得到动态载荷作用下结构部件的应力 应变分析结果n8 删 分别是准静态应力分析法 瞬态动力学分析法 谐响应 应力 分 析法和随机振动应力分析法 利用理论分析或仿真计算研究部件的耐久性问题 最重要的是选取合适的疲劳理 论 经典的疲劳设计方法是用循环应力范围或应变范围描述疲劳破坏的总寿命 以高 周循环疲劳为主的寿命预测理论和以低周循环疲劳为主的寿命预测理论有所差异 以 高周循环疲劳为主的寿命预测理论主要以应力范围来描述导致破坏所需的时间或循环 数 并结合断裂力学 连续损伤力学等进行预测 排气系统的疲劳损坏属于疲劳累积 型 常用的累积损伤理论有线性累积损伤理论 双线性累积损伤理论以及非线性累积 损伤理论 2 3 1 结构寿命评估的应力分析 2 3 1 1 准静态应力分析法 实际运营中 排气系统结构是在动载荷作用下工作的 严格说来结构上每点的应 力应变响应与作用在结构上的载荷并不是线性关系 但由于发动机的激励幅值与其他 激励幅值相比差距很大 在这种情况下 可以近似认为排气系统上各部分的响应振幅 动力放大系数接近1 响应的相位差接近0 这样输入的动载荷与其动应力应变响应之 间是同相位同频率的 其幅值之比为定值 该值为静载荷与静应力应变之间的比例系 数 这就是所谓的准静态法 引 这样 计算排气系统结构上各点的应力应变响应时 就可以使用静态线性叠加的 概念 从而大大减少了工作量 如式2 1 所示 卫 f 艺只 f 岛 2 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 曼 一一 mm mmmn 曼曼皇曼曼曼曼皇曼 式中 f 一构件上任意一点应力分量一时间历程 只 f 一施加在构件上第i 个载荷的载荷一时间历程 兄一有限元分析时 第f 个载荷的载荷值 q 删一在第f 个载荷单独作用下构件上任意一点的应力分量 一作用于构件上的载荷总数 2 3 1 2 瞬态动力学分析法 瞬态动力学分析法 也称时间历程分析 通常被用来确定承受任意随时间变化动 载荷历程结构部件动力学响应的一种分析方法 也可以说是计算动载作用下结构部件 的应力历程的一种有效分析技术 如果结构动力学特性对结构的疲劳寿命影响较大 就需要利用这种方法 因为对于质量较大 刚度较低的结构 作用的外载荷频率很可 能部分经过结构的固有频率区域 瞬态动力学分析求解的节点运动方程是 m 伽 c u k 伊 f 2 2 式中 m 卜一质量矩阵 c 一阻尼矩阵 k 一刚度矩阵 伽 一节点加速度向量 亿 一节点速度向量 伽1 一节点位移向量 扩 f 一随时间变化的载荷 2 3 1 3 谐响应分析法 谐响应分析法是用于确定线性结构按正弦规律变化的时间载荷历程稳态响应的一 种技术 目的是计算结构在集中频率下的响应 得到一些频率下的应力应变响应曲线 从这些曲线上找到应力 应变峰谷值响应 并进一步观察频率对应的应力峰值 而动应 力函数幅值的增加会导致结构应力成比例地增加 这就要获得一种传递函数 用它表 示在特定频率范围变化的应用载荷和相同范围变化的响应应力之间的关系 其作用就 是传递函数的平方乘上载荷幅值求解应力的幅值 这种方法主要应用在频域法中 用来表示载荷的功率谱密度p s d 和应力谱密度之 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 间的关系 它们之间的关系可以用式2 3 表示h 2 s c o 日 国 1 2s r c o 2 3 式中s 国 一应力在圆频率国处的功率谱密度 单位 m p a 2 h z 1 s f 妫一载荷在圆频率c o 处的功率谱密度 单位 2h z 日 国 一在圆频率国处的传递函数 单位 m p a n 1 2 3 1 4 随机振动应力分析法 随机振动的应力分析法主要是谱分析 谱分析是一种将模态分析结果与一个已知 谱联系起来 计算模型位移和应力的分析技术 它借助于应力概率密度函数和各阶谱 矩函数 特别是利用相关函数可以在幅值域 时域 频域内描述随机振动 由于频域 内的主要优点是能够描述振动频率 了解振动中的有效频率分量 因此对随机振动的 应力分析 主要使用频域的谱分析法 在频域中 功率谱密度p s d 是一个最基本的量 通过谱分析可以了解随机振动的频率成分 功率谱密度如式2 4 为 s 国 去 二月 f e i w t d f 2 4 式中 氏 f 一平稳随机振动的自相关函数 国一圆频率 2 3 2 疲劳累积损伤理论n 踟 大多数零件所受循环载荷的幅值都是变化的 也就是说 大多数零件都是在变幅 载荷下工作 其结构的疲劳破坏是在不同频率和幅值的载荷作用下所造成的损伤逐渐 积累的结果 因此疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题 在疲劳研究过程中 人们早就提出了 损伤 这一概念 所谓损伤 是指在疲劳 过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展 当材料承受高于疲劳极 限的应力时 每一个循环都使材料产生一定的损伤 每一个循环所造成平均损伤为l 这种损伤可以积累的 1 次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比c n n 变幅 载荷的损伤d 等于其循环比之和 即d j 为变幅载荷的应力水平级数 t l i i l 为第i 级载荷的循环次数 m 为第i 级载荷下的疲劳寿命 当损伤积累到了临界值研 时 即d 甩 f d 时 就发生疲劳破坏 d 厂为临界损伤和 简称损伤和 线性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 累积损伤理论主要是指m i n e r 法则和相对m i n e r 法则 2 3 2 1 线性累积损伤理论 1 m i n e r 法则 最早进行疲劳累积损伤研究的研究者是p a l m g r e n 他于1 9 2 4 年在估算滚动轴承的 寿命时 假想损伤积累与转动次数成线性关系 首先提出了疲劳损伤积累是线性的假 设n 8 4 引 其后m i n e rm a 于1 9 4 5 年又将此理论公式化 形成著名的p a l m g r e n m i n e r 线 性累积损伤法则 简称m i n e r 法则 由于此理论形式简单 使用方便 因此在工程中 得到了广泛应用 m i n e r 作了如下假设 试样所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏 从这一假设 出发 如破坏前可吸收的能量极限为职试样破坏前的总循环数为 在某一循环数 n l 时试样吸收的能量为矾 则由于试样吸收的能量与其循环数问存在着正比关系 因 此有 旦 鱼 2 5 wn 这样 若试样的加载历程由盯l 晚 研这样的 个不同的应力水平构成 各应 力水平下的疲劳寿命依次为 l 2 各应力水平下的循环次数为n l n 2 n 则损伤 d 喜瓷叫 协6 试样吸收的能量达到极限值职试样发生破坏 上式即为m i n e r 法则的数学表达 式 当临界损伤和改为一个不等于l 的其他常数a 时 称为修正m i n e r 法则 修正m i n e r 法则的数学表达式为 d 圭i l 斋 口 2 7 f 式中 a 一常数 2 相对m i n e r 法则 根据许多研究者对临界损伤和的研究 发现它与加载顺序及零件形状等因素有较 大关系 其值可能在0 1 到1 0 的很大范