发动机排气歧管隔热罩的数值分析

蓝苑尤，梁志达

（1.柳州市龙杰汽车配件有限责任公司，广西柳州545006；2.广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州545006）

0 引言

发动机排气歧管为发动机的重要部件，作为发动机高温、高压的废气通道［1］，排气歧管会向外辐射热量，为保护机舱内的其他零部件，需要在排气歧管表面设计安装一个隔热罩。隔热罩具有耐热耐腐蚀和热反射等性能。国内常用的隔热罩一般有单层镀铝板和双层镀铝板，中间设有隔热棉。作为发动机的附属部件，由于发动机的不平衡力矩和惯性力矩或波动的输出扭矩引起振动［2］，隔热罩在承受高温的同时，还受到发动机的强迫振动，在长期运行后容易发生破裂现象，影响发动机的使用性能和NVH性能。

在零部件设计开发前期，通过虚拟仿真对样件进行模拟，分析隔热罩的模态与热应力。通过仿真手段发现隔热罩的问题，便于在设计阶段对模型进行修改，减少打样成本，缩短开发周期。

1 理论基础

1.1 模态分析理论基础

固有频率和振型为隔热罩的固有特性，其振动可看成一个多自由度的振动，运动微分方程［3］为

式中：M、C、K分别为系统的质量、阻尼、刚度矩阵；q、Q分别为广义位移列向量和广义力列向量。

考虑n自由度无阻尼系统的自由振动，其运动方程为

上式可转化为

式 （3）有非零解的条件是行列式等于零，即

对式 （4）和式 （3）求解，即可获得系统的固有频率和模态向量。

1.2 热应力的基本原理

物体的热问题一般有：传热问题和热应力问题［4］。设物体内部存在温差ΔT（x，y，z），那么这个温差将引起热膨胀，其膨胀量为αTΔT（x，y，z），αT为热膨胀系数，物理方程为

其中：N、D、S、B分别为单元的形状函数、弹性系数矩阵、应力矩阵和几何矩阵。从上式可知，温度变化对正应力有影响，对剪切应力没有影响。

对单元的位移和应变分别求变分得

将单元的位移和应变公式及虚应变代入虚功方程中，由于节点位移的变分增量的任意性，消去该项可得：

2 模型分析

2.1 有限元模型创建

此次分析的隔热罩为单层镀铝板结构，其板材为SA1D，厚度为1 mm。将模型导入到HyperMesh中，抽中面，清理几何模型，采用壳单元的形式对其进行网格划分。赋予隔热罩的材料属性、厚度及热膨胀系数。将隔热罩的3个螺栓孔约束。将模型以inp文件的形式导入到ABAQUS中，模型如图1所示。

图1 隔热罩有限元模型

2.2 模态分析

计算隔热罩约束模态的前3阶固有频率，其模态频率见表1。隔热罩的前3阶模态振型如图2所示。

表1 隔热罩前3阶模态频率

图2 隔热罩前3阶振型

约束模态的最低频率为274.5 Hz，第一阶振型出现在罩件的上面两根棱上，振型向量较大，说明此处在模态上有些薄弱；第二阶振型最大处出现在右边角上，第三阶振型最大处出现在左下角。隔热罩匹配的发动机为4缸4冲程，最高转速为5 600 r／min，发动机的最高激振频率为186 Hz，隔热罩的频率满足振动要求，不会被发动机激励激起。

2.3 模态测试

模态测试采用LMS.Test.Lab数据采集系统、力锤及三向加速度传感器搭建测试系统，如图3所示。在隔热罩的有限元模型中，选取模态测试的激励点与响应点，激励点与响应点应避开模态节点，在数模上选取模态测试所需的点，并记录其坐标，在LMS.Test.Lab软件中建立点线模型，如图4所示。结合隔热罩结构的特点以及为避免传感器引起附加质量的影响，使用1个传感器，在测试过程中采用移动力锤的方法。测试时力锤的锤击方向尽量与参考坐标系的方向一致，尽量避免人为误差。采用PolyMAX模块选取频率及计算振型，再通过Modal Validation模块对选取的频率进行验证。

图3 试验流程

图4 点线模型

隔热罩的测试频率如表2所示，将测试结果与仿真结果进行对比，仿真与测试的振型一致，但是频率数值上有几赫兹的误差，最大的误差出现在第一阶，误差为2.3%。误差原因可能为隔热罩在测试时的固定方式未能达到与仿真设置的完全固定状态一致，测试时敲击方向与参考坐标系方向不能完全一致等。

表2 隔热罩前3阶测试频率

2.4 热应力分析

将分析步切换为Static，General。在Load模块通过预定义场设置初始温度为25℃，再通过修改继承分析步载荷将幅值修改为200℃，排气歧管侧平均温度为200℃，故以此作为热源。

对模型进行求解，隔热罩的热应力如图5所示，受热变形云图如图6所示。

隔热罩受热后的最大位移并没有出现在螺栓孔，出现在上边缘，方向为向凹向收缩了0.5 mm。螺栓孔处的变形较小，在受到排气歧管热辐射下，螺栓孔处并不会发生破裂。通过热应力的仿真分析，可知隔热罩满足设计要求，达到耐热性能要求。

图5 隔热罩的热应力分布

图6 隔热罩受热的变形位移

3 结论

排气歧管隔热罩是一种隔热、隔声的关键零部件，如果设计不佳，不仅会影响部件本身的使用性能，还会影响发动机的NVH性能。在样件设计开发前期，通过ABAQUS软件对隔热罩进行模态分析与热应力分析，预测了部件的固有频率与热应力，其性能均在设计要求内。

应用CAE分析的方法，可快速得到零部件的性能水平，对部件的性能有直观的了解，加快开发过程，保证性能目标。