发动机排气系统模态分析.doc

发动机排气系统模态分析 Simwe会员 st_knight 摘 要：为找出某款发动机排气系统在试验中出现排气歧管与三元催化器连接法兰螺栓断裂的原因，利用Nastran有限元分析软件对排气系统进行模态分析，并判断在此排气系统三元催化器上加支架是否需要。分析结果表明：试验时发动机的某阶激励频率与该排气系统的固有频率发生耦合，引起了共振，造成螺栓的断裂。 关键词：排气系统 三元催化器 模态分析 有限元 1引言 某款发动机排气系统在试验中出现排气歧管与三元催化器连接法兰螺栓断裂的现象，为找出螺栓断裂原因利用Nastran有限元分析软件对发动机排气系统进行模态分析，并判断在此排气系统三元催化器上加支架是否需要。 汽车排气系统 所受激励主要由两部分组成：1）2）N*4/(60*2) （N为发动机转速）。 2 排气系统模态分析 2.1物理模型 图2.1.1为排气系统三维几何模型，包括排气歧管、三元催化器、波纹管及前消声器和后消声器。其排气歧管和三元催化器支架通过螺栓与发动机刚性相连，中间以三处橡胶支撑悬挂在车厢底板平面上。 图2.1.1 排气系统的三维几何模型 2.2有限元模型及边界条件 对于排气系统大部分较薄的区域，采用壳来进行模拟；对于排气歧管和连接法兰等，则采用实体进行模拟。 由于波纹管结构和橡胶吊挂材料特性的复杂性，在分析和建模过程中，对上述部件进行了简化处理：（1）（2）（3）2.2.1为排气系统的有限元模型： 图2.2.1 排气系统有限元模型 施加的约束为：（1）（2）（3）2.3排气系统模态计算 对排气系统进行两种方案下的模态计算：（1）采用试验状况下的三点吊挂（取消前消声器和波纹管之间的吊挂点），三元催化器加上支架；（2）取消三元催化器的支架进行计算。 2.3.1 方案1计算结果 表2.3.1为排气系统方案1的模态频率： 表2.3.1 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率（Hz） 4.68 6.05 8.66 10.56 12.43 12.95 27.43 33.85 46.81 49.28 阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 频率（Hz） 60.91 83.16 114.6 120.9 137.4 142.9 197.9 216.2 239.9 244.3 图2.3.1.1是排气系统方案1的三元催化器和连接螺栓有限元模型，为了更好分析结果取螺栓破坏位置附近的节点进行分析，如图2.3.1.2所示。 图2.3.1.1 方案1的三元催化器和连接螺栓有限元模型 图2.3.1.2 三元催化器和排气歧管连接螺栓所选节点幅频曲线 图2.3.1.3 排气系统在114.6Hz下振型图 图2.3.1.4 排气系统在216.2Hz下振型图 图2.3.1.5 三元催化器和支架在216.2Hz下振动应力图 从图2.3.1.2可以看出，排气歧管和三元催化器连接螺栓所选节点的频谱结构几乎完全一致，在频率114.6Hz和216.2Hz处，频谱幅值为波峰值。图2.3.1.6-7为排气系统在在频率114.6Hz和216.2Hz下的振型图，从图中可以看出主模态都为垂直面的弯曲模态。114.6Hz和216.2Hz对应的发动机转速分别为3438rpm和6480rpm，当发动机转速达到6000-6200rpm时，对应的激励频率落在216.2Hz附近。由此判断，螺栓断裂的原因可能是排气系统与发动机的某阶激励频率耦合而引起的共振。在216.2Hz模态频率下，三元催化器支架最大振动应力处正是试验中发生断裂的位置，如图2.3.1.5所示。 2.3.2 方案2计算结果 表2.3.2为排气系统方案2的模态频率： 表2.3.2 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率（Hz） 4.68 6.05 8.65 10.56 12.41 12.91 27.43 33.77 46.79 49.18 阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 频率（Hz） 60.76 81.82 106.3 117.2 136.7 142.9 197.9 213.1 239.8 244.1 对比表2.3.1和2.3.2可以发现，把三元催化器支架取消之后，排气系统的各阶模态频率分布没有太大改变，只是在13阶、14阶和18阶模态频率值有所减小。 图2.3.2.1 方案2的三元催化器和连接螺栓有限元模型 图2.3.2.1是排气系统方案2的三元催化器和连接螺栓有限元模型，取螺栓破坏位置附近的节点进行分析，如图2.3.2.2所示。 图2.3.2.2 三元催化器和排气歧管连接螺栓1所选节点幅频曲线 从图2.3.2.2可以看出，取消三元催化器支架后排气系统的排气歧管和三元催化器连接螺栓所选节点