基于Pro/mechanica的某發動機三元催化器支架疲勞分析及優化

王友成，張亞洲，陳亮，王英杰，姚巍

（安徽江淮汽車動力研究院，安徽 合肥 230601）

基于Pro/mechanica的某發動機三元催化器支架疲勞分析及優化

王友成，張亞洲，陳亮，王英杰，姚巍

（安徽江淮汽車動力研究院，安徽 合肥 230601）

介紹了汽車發動機上三元催化器支架的重要性，說明了保證支架的疲勞壽命的必要性。針對此支架臺架試驗發生的斷裂問題，利用Pro/mechanica有限元分析對支架進行疲勞分析，進而提出優化建議，并對優化后的結構再次進行有限元分析驗證。

三元催化器；斷裂；支架；疲勞；優化

CLC NO.:U463Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-27-04

引言

某款發動機在臺架實驗過程中，三元催化器支架發生斷裂，如圖1。此支架屬于汽車關鍵零部件，它聯接著三元催化器和發動機缸體。一旦斷裂，三元催化器將處于自由狀態，很容易被振動破壞掉，將產生無法預料的危險。另外在整車上此支架發生斷裂，更換支架需要先從整車上拆下發動機，然后才能拆卸發動機外圍件，整個操作費事費力。因此支架的設計可靠性及壽命必須要滿足。

材料的變形與斷裂是受到外力作用時所表現出的力學行為，常用的力學性能指標有強度、剛度以及疲勞性能等。疲勞是結構失效最主要的原因。零件在交變載荷下經較長時間工作而發生斷裂的現象稱為疲勞斷裂。

疲勞斷裂屬于低應力脆斷，斷裂時的應力遠低于材料靜載下的抗拉強度，另外斷裂前無論是韌性還是脆性材料均無明顯的塑形變形，是一種無預兆、突然發生的脆性斷裂，故而危險性極大[1]。

采用有限元法對結構進行疲勞分析在工程應用技術中或大或小都存在誤差，它是一門近似正確的技術，得出的結果還要經過試驗的驗證[2]。但疲勞分析的結果可以找出零件的薄弱結構，為優化設計提供建議。

本文應用Pro/mechanica對此款三元催化器支架進行疲勞特性分析，根據分析結果，提出改進建議，并對改進后的結構進行再次分析驗證。保證理論的疲勞特性后，才進行加工制作，然后再進行現實的發動機臺架試驗驗證。

1、Pro/mechanica簡介及疲勞分析流程

Pro/mechanica是pro/engineer軟件的一個CAE模塊。可以直接方便的計算結構的應力分布、變形等特性，模擬產品在真實環境下的行為。Pro/mechanica與Pro/engineer軟件數據共享可以實現無縫集成，不用擔心因為分析模型的格式轉換而造成數據丟失，可在單一的環境下進行結構設計、仿真和優化計算工作。缺省情況下，Pro/mechanica以P方法對模型自動劃分網格，P方法能夠比較精確的擬合幾何形狀，這種單元的應力變形方程為多項式，最高階次能夠達到九階，因為可以精確的擬合大應力梯度[3]。

使用Pro/mechanica進行疲勞分析一般遵循以下流程：

1）幾何實體建模。在pro/e中建立分析對象，定義材料參數、約束條件及載荷。

2）有限元網格劃分。默認使用四面體單元對三維模型進行劃分，然后檢查網格。

3）計算分析。在進行疲勞分析之前，要先定義靜態分析，為了獲得有效的疲勞分析結果，還必須指定模型材料的疲勞特性。

4）結果顯示。建立分析結果窗口，以圖形的方式對不同指標進行查看。

2、支架疲勞分析過程

2.1 有限元模型建立

圖2為支架的安裝圖，由安裝結構可知，支架主要承載著來自三元催化器振動而產生的力，根據這種工況特點，定義支架的約束為與缸體配合的兩個底孔，載荷來自于與三元催化器安裝的兩個螺栓孔，綜合經驗值及催化器廠家提供的載荷值，對支架施加兩個方向的載荷，載荷1為1000N，載荷2為2000N，如圖3。

支架材料為壓鑄鋁合金，泊松比為0.31，彈性模量為71GPa，屈服極限為315MPa，極限強度為435 MPa。

2.2 靜態結果分析

根據圖4的靜態應力云圖可以看出，支架的整體應力非常小，但底座兩個螺栓孔的位置應力奇高，顯然這是應力集中區域，最大應力遠大于材料的屈服強度，這和發動機試驗中，支架從此處斷裂是吻合的。

圖5所示的應變圖，最大變形量發生在與三元催化器連接的兩個螺紋孔位置，最大變形為0.55mm，綜合圖4的應力云圖可以知道，支架變形最大的地方，實際的應力并不大。

2.3 疲勞結果分析

支架疲勞分析采用的是對稱循環應力，恒定振幅，目標壽命為107。一般經過107次循環仍未疲勞，則再增加循環次數，也不會疲勞，所以一般將107規定為永久壽命[4]。

日志壽命為模型破壞前的預估周期數。一般將壽命表示為對數形式。圖6為支架疲勞日志壽命，可以看出大部分區域的壽命為1020，但靜態分析顯示的兩個應力集中部位壽命僅為100，顯然必須要改善這兩個應力集中區域。

壽命置信度顯示計算出的壽命與目標設計壽命之比，小于1的值表示失效，值大于3通常表示獲得所需目標壽命的置信度是足夠的。圖7所示，支架的底部與缸體連接的部分對比其他部位，壽命置信度偏低，因此改進設計時，應對底部進行優化。

3、支架優化建議

本支架為鑄件，設計時要考慮鑄件的工藝性，要考慮分型面的選擇問題，保證最大截面，便于起模；為了避免產生縮孔、縮松、冷隔、裂紋等鑄造缺陷，要確保零件的壁厚盡量均勻，壁的連接及交叉處要合理；為了保證鑄件的強度和剛度，并且能減小壁厚，要設置合適的加強筋。加強筋可以看成是鑄件的壁，其結構也應符合壁的連接、交叉原則[5]。

綜合疲勞分析結果以及鑄件的工藝特點，對現有支架的修改建議如下：

1）修改靜態分析顯示出的兩個應力集中區域；

2）支架與缸體連接的部分材料厚度要加厚，以改善其壽命置信度；

3）加強筋設置不當，要優化加強筋的位置；

4）適當的加大倒圓角保證平滑過渡，避免應力集中。

4、優化后分析驗證

對改進后的支架進行與前述相同的材料及工況設置，經過靜態及疲勞分析，分析結果如下：

由圖8的靜態應力結果可以看出，新結構的最大應力為78.8MPa,遠低于材料的屈服強度，并且零件整體應力比較均勻，沒有應力集中部位。由圖9的靜態應變知改進后結構的最大位移為0.32mm，低于改進前的0.55mm，最大位移發生的位置與改進前相同。

疲勞分析的結果顯示，改進后結構的最低壽命為108，高于理論的永久壽命值107，如圖10所示。從圖11可以清楚看出，新結構的壽命置信度為3，說明獲得所需目標壽命的置信度是足夠的。

A fatigue analysis and optimization of engine three-way catalyst bracket based on Pro/mechanica

Wang Youcheng, Zhang Yazhou, WangYingjie, Yao Wei
（Anhui Jianghuai Aotumobile Technical Center Powertrain Academy, Anhui Hefei 230601）

this paper introduces the importance of the bracket on engine three-way catalyst,whose fatigue life must be guranteed. Aimed at the problem of fracture occurred in The engine bench test,fatigue analysis is carried out on the bracket by using the Pro/mechanica finite element analysis, than optimization of the recommendations is put forward, and the optimized structure finite element analysis is carried out again to verify.

three-way catalyst；fracture；bracket；Fatigue；Optimization

U463

A

1671-7988(2014)07-27-04

王友成，就職于安徽江淮汽車動力研究院，主要研究方向為發動機進排氣及正時系統。