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柴油机后处理装置接触分析

周新刘海波代智军陈旺徐东辉

(天纳克汽车工业有限公司上海研发中心）

摘要：本文基于ABAQUS/Standard的非线性接触分析功能，以某柴油机后处理装置为研究对象，得到了后处理装置支架与绑

带的合适预紧力，分析了装置承受三方向冲击的应力状况，并考查了接触分析部件之间的相对滑动，对后处理装置的安装、工作

状态进行了分析评估，分析结果对于装置的支撑设计、可靠性评估有积极的指导意义。

关键词：后处理装置接触预紧冲击相对滑动

1引言

工程机械在日常生活中应用越来越广泛，例如大型挖掘机、推土机是建筑、土木等领域不可缺少的施工机器。

为了获得较大的机械功率，提高施工效率，大型机械通常都使用柴油机，然而柴油机车是颗粒物和氮氧化物的主

要排放源之一。对于柴油机来说，通常都装有后处理装置来减少污染物排放，后处理装置的可靠性对机车排气系

统的使用寿命起到关键作用。

本文采用ABAQUS/Standard模块，对某柴油机后处理装置的安装、工作状态进行接触分析模拟，从而为柴油

机后处理装置的合理设计安装以及使用进行评估指导。

2有限元模型及接触分析

2.1有限元模型的建立

某型号柴油机后处理装置三维有限元模型如图1所示，整个后处理装置在支撑支架处通过4个减震器与机车进

行连接。有限元模型共有节点64090个，单元53686个，其中焊点、法兰、支撑支架、绑带、DOC/DPF(柴油氧化催

化器/柴油颗粒过滤器)衬垫、载体用实体单元模拟；后处理装置壳体、进排气管等用板壳单元模拟。金属材料为

不锈钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7800Kg/m3，DOC/DPF衬垫为非线性材料，通过ABAQUS中Gasket

Section进行模拟。绑带(Strap)与DPF壳体之间、支撑支架(SaddleBracket)与DPF壳体之间共定义了6组Contact

Pair,铆钉与绑带以及螺栓头(Bolts)与支撑支架间共定义了8组Tie，两螺栓横截面上定义了2组Pretension

section。

图1有限元模型

2.2接触分析

整个模型分析过程如图2所示：

图2分析步骤

第一步：将DOC/DPF衬垫由自由高度压缩到工作状态；

第二步：预紧绑带；

第三步：施加三个方向的冲击加速度

2.2.1压缩衬垫应力分析

对于柴油机后处理装置安装工艺来说，一般都是先固定好DOC/DPF的载体以及外面的壳体，然后将衬垫填充

到两者的间隙中,在这一过程中，DOC/DPF的壳体将会发生变形并产生一定的应力。如图3所示为衬垫被压缩后

壳体的应力云图，最大Mises应力为30.4MPa。

图3压缩衬垫后应力云图图4预紧绑带后壳体塑性曲线与应变云图

2.2.2预紧绑带应变分析

绑带预紧力对柴油机后处理装置的安装以及安全可靠工作起到重要作用。预紧力太小，不能有效将后处理装

置固定在机车上；预紧力太大，后处理装置会产生过大的塑性应变，可靠性将得不到保障。

如图4所示为柴油机后处理装置在不同预紧力下的塑性应变曲线与应变云图，预紧力施加在连接绑带与支架

的两个螺栓上。由图可知，当绑带预紧力达到2KN时，最大塑性应变为0.51%，据此选定该柴油机后处理装置最

大绑带预紧力为2KN。

2.2.3冲击应力分析

柴油机后处理装置组装好后安装在机车上，使用过程中不可避免要受到来自各个方向的冲击。本计算分析了

后处理装置在预紧后承受来自三个方向的稳态20g冲击。表1列出了柴油机后处理装置承受三方向冲击后最大应

力，最大应力发生在横向冲击，最大值为259MPa,图5为后处理装置承受轴向20g冲击后壳体单元的应力云图。

表1三方向冲击载荷下最大应力(MPa)图5轴向20g壳体单元应力云图

2.2.4相对滑移分析

为了考查设计绑带与支架在2KN预紧力下承受轴向20g冲击后是否还能将整个柴油机后处理装置固定在机车

上，计算了绑带、支架与DPF壳体之间的相对滑动。如图6为绑带、支架与DPF壳体之间的相对滑动曲线图。由

图可知，在后处理装置承受轴向20g载荷下，支架中心位置与DPF壳体之间的最大相对滑动达3.5mm,说明该设

计支架与绑带在2KN预紧力下不能有效抵抗来自轴向20g冲击。

图6绑带、支架与DPF壳体相对滑动

3结论

本文利用ABAQUS/Standard求解模块，结合其强大的非线性计算功能，对某柴油机后处理装置进行了接触分

析，为后处理装置的设计、安装提供了指导。分析结果表明：现有设计支架与绑带不能有效满足工作要求，同时

也表明基于ABAQUS的非线性分析能够为柴油机后处理