某汽油機排氣歧管隔熱罩開裂問題分析及優化設計

杜雄雄，郭彥豆

某汽油機排氣歧管隔熱罩開裂問題分析及優化設計

杜雄雄，郭彥豆

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

隨著某汽油機的技術升級，排氣歧管隔熱罩由單層改進為雙層中空結構，但在進行發動機臺架試驗過程中出現了開裂現象。通過對隔熱罩的模態、應力分布、斷口及振動進行分析，其開裂的根本原因為振動疲勞引起，而解決方法是采用合理布置加強筋的方式提高其局部或整體剛度以減小振動，優化后的設計方案通過了通用全球發動機耐久試驗和熱循環試驗。

隔熱罩；振動疲勞；剛度；加強筋

發動機排氣歧管增加隔熱罩的目的在于降低振動噪音和熱輻射，提升發動機的NVH性能。目前國內各主機廠普遍采用的有單層鍍鋁鋼板和雙層鍍鋁鋼板中空結構兩種類型。因其具有很好的耐高溫性、熱反射性和耐蝕性而廣泛使用。隨著某汽油機的技術升級，單層隔熱罩已不能滿足隔熱要求。經試驗對比，雙層隔熱罩較單層表面最高溫度降低45℃，平均溫度降低25℃，可見雙層隔熱罩隔熱效果要遠遠優于單層隔熱罩。但雙層隔熱罩在發動機臺架試驗過程中出現開裂現象，將針對失效件的開裂原因與失效機理進行分析，在此基礎上，提出具體的改進措施，并對改進后的隔熱罩進行試驗驗證。

1 失效描述

排氣歧管隔熱罩由單層鍍鋁鋼板改進為雙層熱浸鍍鋁鋼板中空結構。整體上將原來的單層1 mm的鋼板更改為上下層分別為0.5 mm的鋼板，中間層夾有陶瓷纖維紙，上下層通過5處扣邊進行固定（見圖1）。

圖1 某汽油機的排氣歧管隔熱罩

在進行發動機臺架耐久試驗和臺架熱循環試驗過程中不同程度地出現兩處開裂，一處位于1號孔的過渡圓角處，裂紋從隔熱罩大端邊緣延伸至孔口邊緣（見圖2），一處位于大端加強筋的中部，靠近1號孔的位置，裂紋從大端邊緣延伸并貫穿橫筋（見圖3）。

圖2 開裂位置

圖3 開裂位置

2 失效機理分析

隔熱罩是典型的薄壁結構，在實際使用過程中，如果發動機的工作頻率與隔熱罩的固有頻率一致或相接近時，隔熱罩將會產生共振，此時發動機的激勵將會使隔熱罩局部產生更大的應變，以致容易產生開裂或斷裂。在進行失效機理分析時，應首先考慮是否由共振引起，其次從應力、斷口、振動等方面進行分析。

2.1 模態分析

在直列四缸發動機中，由于往復慣性力不能平衡，振動和噪音都以2階為最強。所以隔熱罩在設計時其一階模態要大于發動機的二階模態。使用有限元分析軟件Abaqus對該隔熱罩進行模態計算，結果顯示隔熱罩的一階固有頻率為286 Hz，大于發動機的最大激勵頻率186 Hz，因此隔熱罩在臺架試驗中發動機轉速從怠速到額定轉速不會出現開裂現象，失效問題不是由共振引起。

2.2 應力分析

隔熱罩固定安裝在排氣歧管上，長期受發動機的熱沖擊而使隔熱罩在熱應力的作用下產生熱變形，以及長時間受排氣歧管內高速氣體的流動而產生振動輻射，因此在進行應力分析時要綜合考慮在溫度場和振動共同作用下的應力大小及分布。

經實際測定隔熱罩在試驗臺架上的最低表面溫度為48℃，最高表面溫度為108℃，因此模擬計算48℃～108℃的溫度場。在試驗臺架實際測得的隔熱罩的3向最大振動加速度：X-20.7g（1號孔中心與2號孔中心連線方向），Y-25.8g（根據左手法則確定方向），Z-24g（垂直隔熱罩大端平面方向），加載到隔熱罩的計算模型中。計算結果顯示在溫度場與振動工況的共同作用下，隔熱罩的最大應力值為185 MPa，小于材料屈服強度372 MPa，而出現最大應力的地方位于1號孔的孔口附近（見圖4）。

圖4 優化前的應力分布

2.3 斷口分析

對隔熱罩開裂位置的斷口進行電鏡分析，從主裂紋斷口對碰磨平而分叉裂紋無對碰的情況看，裂紋應是逐步開裂，前段主裂面經歷了長時振碰而呈坦亮態，斷口有疲勞紋線及眾多疲勞小臺階，裂源在邊緣處，屬疲勞開裂。宏觀斷口如圖5所示。

圖5 宏觀斷口

2.4 振動分析

在工程實際應用中，結構受到外部激勵總會產生不同的振動響應，絕大部分結構的疲勞失效都與振動有關，文獻[4]的作者認為：“振動疲勞是指結構的疲勞破壞與結構的振動響應（包括結構固有頻率、交變載荷變化頻率、振動輻值、振動相位和結構的振動等模態）密切相關的失效現象，其破壞機理與靜態疲勞破壞一致，它包括低頻振動疲勞、共振振動疲勞和高頻振動疲勞。”振動疲勞破壞的部位往往是局部振動中應力大或有應力集中的部位，破壞起因于局部振動與應力集中兩種因素的共同作用。因此，隔熱罩的開裂問題應該歸結于振動疲勞而引起的破壞。

3 結構分析與優化設計

從減小隔熱罩振動的方面考慮，提高隔熱罩的剛度是減小振動的有效解決方法。由于高剛度具備更高的固有頻率，而發動機的激勵能量是隨著頻率的升高而逐漸降低，因而高剛度設計的隔熱罩表面的振動位移相對較低。最簡單的方法就是增加加強筋的設計，增加加強筋的目的是材料在沖壓下能得到充分的塑性變形，塑性變形越大，其剛度也越大。所以加強筋的布置是最能直接影響隔熱罩的剛度大小，而合理的加強筋布置是有效提高隔熱罩的剛度，減小隔熱罩的振動。

3.1 結構分析

失效隔熱罩大端的1號孔與2號孔中心距為214.5 mm（X向），1號孔與4號孔的距離為230.6 mm（Y向），其中1號孔距離其余3個孔較遠，X向設計有6條加強筋，Y向在大端設計有2條加強筋，Y向剛度明顯要小于X向，剛度最小的位置位于1號孔的附近區域，而開裂位置正好出現在1號孔的附近區域且在Y向。

經過臺架振動測試，發現隔熱罩在高轉速（4 000 rpm以上）出現振動加速度最大的在Y向，且加速度值明顯要大于其它兩個方向。圖6是隔熱罩各向振動加速強隨發動機轉速的變化趨勢。

圖6 各向振動加速度對比曲線

3.2 優化設計

根據隔熱罩的失效機理及結構分析，優化后的設計方案見圖7，具體分析如下。

圖7 優化后的設計方案

（1）優化前的隔熱罩大端相對比較平坦，從沖壓工藝上來講，由于平面上的拉應力很低，材料得不到充分的塑性變形，甚至有時只產生彈性變形，這對增強隔熱罩的剛度十分不利。因此，為保證隔熱罩成形后有足夠的剛度，在隔熱罩大端處增加矩形加強筋，矩形加強筋因要在拉延筋的兩個圓角處產生彎曲和反彎曲變形，增大了拉延筋以外的板料流動阻力，同時拉延筋以內的板料在較大的拉力作用下產生較大的塑性變形，從而提高隔熱罩的剛度，減少由于變形不足而產生的回彈、收縮、扭曲、起皺等問題。

（2）因為隔熱罩在Y向振動較大，所以要提高Y向的剛度以減小其振動。優化前的隔熱罩在Y向有兩處較短的豎筋，并且兩條豎筋延伸至大端面邊緣。優化后在Y向增加一條豎筋，三條豎筋與兩條橫筋貫通，三條豎筋沒有延伸至大端面邊緣。

（3）薄壁件的厚度直接影響其剛度的大小，同時厚度與剛度之間存在遞增的關系。從理論上來說，薄壁件的厚度越大，其剛度越大。但是增加厚度受制造成本及工藝水平的限制，而改變薄壁件的局部厚度，即利用加強筋的高度達到抗彎的效果。

優化前隔熱罩1號孔與2號孔之間的平面要低于兩孔的安裝平面，兩孔的安裝平面與其它面之間采用過渡圓角連接并延伸至大端邊緣。優化后隔熱罩1號孔與2號孔之間的平面與兩孔的安裝平面設計在同一個平面上，并在兩孔周邊凸出兩個較高的半圓形加強筋，但是兩個半圓形加強筋沒有延伸至大端邊緣。

（4）相關研究表明，加強筋可以阻礙振動能量的傳播。對原有加強筋的結構再增加一條平行筋，筋后面的振動再次減弱，所加筋起到再次減振的作用。

優化前隔熱罩采用5處扣邊以連接上下層，而出現開裂的位置均不在扣邊處。在最終優化設計凍結之前依舊為5處扣邊，雖然振動較之前有很大改善，但臺架試驗發現依舊有1處裂紋產生，該裂紋較優化前出現的裂紋變小很多，結合斷口分析，裂源在邊緣處，所以優化后的隔熱罩四周均增加了較長的且連續的扣邊（見圖8）。

圖8 優化后方案的扣邊結構

4 CAE分析及試驗驗證

CAE分析邊界與2.1節、2.2節相同，一階固有頻率292 Hz，大于發動機的最大激勵頻率186 Hz.在溫度場與振動工況的共同作用下，隔熱罩的最大應力值為297 MPa，小于材料屈服強度372 MPa，而出現最大應力的地方仍位于1號孔的孔口周圍（見圖9）。

圖9 優化后的應力分布

為進一步驗證優化后方案的可靠性，對優化后的隔熱罩（見圖7）分別進行臺架耐久試驗和臺架熱循環試驗，試驗完成后經檢查均未出現開裂或斷裂，滿足考核要求，達到設計目標。

5 結束語

對于類似隔熱罩的薄壁件，其失效模式常為開裂或斷裂。經過分析驗證，其根本原因為隔熱罩的剛度小，振動大，在受到長期的交變負荷和冷熱沖擊下產生疲勞而出現開裂。有效解決措施是提高隔熱罩剛度，提升模態特性，減小振動，減少振動疲勞的破壞是解決隔熱罩開裂問題的根本措施。

[1]楊磊，范習民，高偉，等.基于Abaqus的某汽油機排氣歧管隔熱罩優化分析[J].計算機輔助工程，2013，22（z2）：119-123.

[2]陳彥如，楊紅天，孫小偉，等.汽油增壓發動機排氣歧管隔熱罩開裂故障分析[J].內燃機，2016（2）：59-62.

[3]張磊.發動機薄壁件結構研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[4]劉文光，陳國平，賀紅林，等.結構振動疲勞研究綜述[J].工程設計學報，2012，19（1）：1-8.

[5]陳曉利，盛美萍，王彥琴.多筋板振動特性的導納法研究[J].噪聲與振動控制，2005，25（3）：9-12.

Cracking Analysis and Optimization Design of a Gasoline Engine Exhaust Heat Shield

DU Xiong-xiong，GUO Yan-dou
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

With the technical upgrading of a gasoline engine，the exhaust manifold heat shield is improved to a double layer hollow structure by a single layer，but the cracking phenomenon occurs during the engine bench test. Through the analysis of the modal，stress distribution，fracture and vibration of the heat shield，the root cause of the crack is vibration fatigue.The solution is to use a reasonable arrangement of reinforcement to improve the local or overall stiffness to reduce vibration，the optimized design scheme through the GED（Global Engine Durability）and GETC（Global Engine Thermal Cycle）test bench.

heat shield；vibration fatigue；stiffness；reinforcement

TK413

A

1672-545X（2017）02-0159-03

2016-11-15

杜雄雄（1987-），男，甘肅人，工程師，主要從事發動機的進排氣系統和EGR系統的設計與研發工作。