某型汽车排气歧管开裂失效及设计优化

王宇同

摘要：本文针对发生开裂失效的排气歧管，探讨了排气歧管开裂失效发生的机理和结构设计原因，借助现代计算机辅助工程（CAE）技术，找到了排气歧管发生开裂的原因;并在此基础上重点对排气歧管优化设计理论和方法进行了研究，特别指出了“支架”在排气歧管设计中的重要意义;最后通过发动机台架实验对优化后的排气歧管进行了验证测试，证实未再有开裂失效现象发生，排气歧管开裂问题得到解决，本文排气歧管优化措施和方法有效。

关键词：排气歧管;开裂失效;热应力;振动;结构设计;支架

中图分类号：U464   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2018）15-0170-02

Abstract： In this paper， aiming at the exhaust manifold with cracking failure， the mechanism and structural design reasons of the exhaust manifold cracking failure are discussed. With the help of modern computer aided engineering （CAE） technology， the causes of the exhaust manifold cracking are found. On this basis， the optimization design theory and method of the exhaust manifold are mainly studied， especially the exhaust divergence of the "bracket" is pointed out. Finally， the engine bench test was carried out to verify the optimized exhaust manifold， which proved that no cracking failure occurred again， and the problem of exhaust manifold cracking was solved. The optimization measures and methods of exhaust manifold in this paper are effective.

Keywords： exhaust manifold; cracking failure; thermal stress; vibration; structural design; bracket

引言：排氣歧管是将发动机各气缸排出的废气汇集到一起排出车外的重要部件，其工作性能对整个发动机排气系统乃至车辆运行效率都有着十分重要的影响。但是由于汽车底盘空间大小的限制，排气歧管所处的空间位置受汽车内部其他零件布局等多方面因素制约，可供其使用的空间往往十分有限，因此排气歧管常常需要设计成不规则且复杂的形状，这一状况加剧了排气歧管结构的应力集中，大大降低了其疲劳耐久能力，造成开裂现象的发生。

笔者在某国内排气歧管生产企业社会实践期间，该企业某车型排气歧管在使用过程中，多次被发现有开裂现象出现，同时伴有漏气发生，且多个车辆排气歧管发生开裂的部位均位于图1.1所示的同一区域，影响了车辆的正常运行。

为了寻找上述开裂发生的原因，排气歧管生产企业技术人员首先对排气歧管开裂部位进行了理化检测，结果显示其化学成分、硬度及显微组织未发生明显变化，均符合技术指标要求，证明材料因素不是引起该排气歧管开裂的主要原因。进一步观察该排气歧管结构，可见其采用半壳型设计形式，结构十分紧凑，上下半壳通过焊缝连接，焊缝较长，开裂区域处于类悬臂结构的根部，易出现应力集中现象，结构设计不甚合理，存在一定的缺陷。以下重点从结构设计角度对上述排气歧管开裂问题进行了研究。

1 排气歧管开裂失效的结构设计因素

一般情况下，排气歧管的开裂失效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。结构设计因素一直以来都是造成排气歧管开裂失效的最重要的原因。优异的排气歧管结构设计不仅可以提升排气歧管工作效率，避免开裂失效等的发生，并且反过来会影响材料的性能表现，因为良好的结构可以有效降低材料表面温度和平滑度，从而改善材料性能。

作为一个多自由度的振动系统，排气歧管要承受车辆在行驶过程中路面通过悬架输入的激励以及传动系统冲击、扭振等振动载荷的作用，特别是当车辆处于各种特殊工况下，例如起步、制动或者路面遇到冲击时，发动机及车架会向排气歧管传递更多的冲击，从而产生很大的振动载荷，结构设计的不足很容易造成排气歧管振动开裂失效。

作为一个典型的高度应力集中的薄壁结构，排气歧管是排气系统中主要的受热部件，直接承受发动机燃烧室排放的高温气体，特别是现代汽车不断提升发动机的工作温度，使得排气歧管内的温度往往可高达800～900℃，在高温和温度分布不均匀而产生的热载荷的反复作用下，如果结构设计不合理，往往极易形成热疲劳裂纹，造成排气歧管热开裂失效。

该企业经过多年的探索，已经具备了成熟的排气歧管开裂失效的振动分析方法和热疲劳分析方法，并结合现代计算机辅助工程（CAE）技术，分别对上述开裂排气歧管进行了振动模态分析和热应力应变分析，发现造成该排气歧管开裂破坏的直接诱因是共振所产生的大位移和应力集中现象，同时在这一过程中，高温所诱发的材料热变形也对排气歧管的开裂起到了很大的推动作用，因此得出结论是振动载荷和热载荷的共同作用造成了排气歧管的开裂破坏。

2 支架在排气歧管优化设计中的作用

通过研究发现，排气歧管支架在排气歧管的优化设计中具有十分重要的作用。为了提高整个排气歧管的振动特性，尤其是提高第一阶模态从而规避与发动机共振的发生，往往要求支架的刚度大一些;而支架设计的越硬，刚度越大，在排气歧管受热膨胀的过程中，就会对排气歧管产生越多的约束作用，从而造成热变形受限而产生应力集中现象。

因此，热载荷要求较软的支架，振动载荷要求较硬的支架，处理这一矛盾的关键就是支架位置和刚度的设计，如何找到两者的平衡点，使支架对排气歧管振动有很好的支撑作用，同时又不过多限制其受热膨胀时的位移和变形，成为排气歧管优化设计的关键。

本案例排气歧管支架如图2.1所示，支架原设计厚度3mm，为进一步评估支架在整个结构中的支撑作用，分别调整厚度为2mm和4mm，不同厚度支架热塑性应变和第一阶模态的结果对比见表2.1。可见，支架厚度增加后，刚度增大，提升了排气歧管的第一阶固有频率。相反地，由于对排气歧管热膨胀的限制加剧，造成塑性应变增大。

3 排气歧管优化研究

3.1排气歧管优化流程和方法。如前节所述，支架是排气歧管优化过程中十分关键的因素，同时支架优化具有高度的反应灵敏性，其轻微的设计更改就会对整个排气歧管的表现带来较大的影响，可以称之为全局要素。通常在排气歧管结构优化的过程中，我们首先考虑对支架进行更改，以尽量在较少的设计更改的情况下达到想要的目标结果。

本例排气歧管第一阶模态过低，与发动机发生共振，因此首先考虑增强支架刚度，将支架厚度由3mm增加至4mm，并在一侧增加翻边，如图3.1所示。

同时，考虑到开裂部位曲度较大且有较为明显的应力集中，首先对其进行了平滑改进，增大曲面半径，使该区域过渡变得更加流畅，如图3.2所示。

对上述改进方案再次进行热应力分析和振动分析，发现排气歧管的第一阶模态从196Hz提高至215Hz，可见支架刚度的增加的确大大提高了排气歧管的模态。但同时，开裂区域的累积塑性应变也从0.81%上升至1.08%，可见支架的增强进一步限制了排气歧管的热变形过程，造成热应力集中现象加剧。

为了改变上述现象，如图3.3所示，本文将排气歧管从半壳式改为半壳加弯管式。和原结构相比，更改后的设计可以有效改进原紧耦合半壳式设计自由度过低的问题，给其更多的膨胀空间，同时大大减少了焊缝的长度，也使排气歧管自由度增加。

同时，原排气歧管使用铸造式厚法兰，厚度达12mm，虽然可以保证较好的气密性，但是刚度很大，限制了排气歧管的变形和移动，因此尝试将其改成如图3.4所示的冲压式薄法兰。

最终优化完成的排气歧管的结构形式如图3.5所示。

3.2优化后的结果与分析。对优化后的新的排气歧管再次进行热应力应变分析和振动分析，得到优化后的排气歧管最大累积塑性应变1.74%，开裂区域0.14%，最大热应力312MPa，第一阶模态301Hz，最大振动应力107MPa，较原设计均取得了较大的改进。

同时，在发动机台架上对新的排气歧管进行热冲击实验和振动实验验证，排气歧管工作正常，未发生开裂，证明优化后的设计有效解决了原排气歧管的开裂失效问题。

4 结语

从以上排气歧管开裂失效分析和优化过程来看，结构设计因素是造成排气歧管开裂失效的最重要的原因，对于排气歧管结构设计和优化，应当考虑到：

（1）优异的排气歧管结构设计是避免开裂失效发生的关键，排气歧管结构设计的好坏影响排气歧管的性能表现。

（2）排气歧管支架在排气歧管的优化设计中具有十分重要的作用，是优化设计的“全局要素”。

（3）支架優化设计的关键是支架位置和刚度的设计，使支架对排气歧管振动有很好的支撑作用，同时又不过多限制其受热膨胀时的位移和变形。

（4）排气歧管的设计优化应从歧管形式、歧管厚点、焊接情况、法兰厚度等多个方向综合进行。

参考文献：

[1]Fisher Richard.现代汽车技术.杨占鹏 译.机械工业出版社，2010

[2]段景辉.车用柴油机排放控制技术进展.内燃机，2006（1）：32-37

[3]刘志勇，夏毅敏，戴湘利.排气歧管开裂故障分析.实验力学，2007（5）：500-504

[4]王佳华.发动机排气歧管开裂失效分析.同济大学硕士学位论文，2009