某船用發動機排氣系統結構優化

張超 袁帥 李艷君 李乃武

摘要：本文利用Hypermesh對某船用發動機排氣系統進行前期的網格處理，用Abaqus結構仿真軟件對該系統進行熱模態計算分析。文中做了兩種方案的分析，后者是對前者結構的優化。通過增加支撐點的方式，使該排氣系統避開發動機常用轉速對應的點火激勵頻率段，取得了較好的效果，有效的避免了因發動機激勵共振引起的故障。

Abstract： In this paper， Hypermesh is used to carry out preliminary grid processing on the exhaust system of the marine engine， and structural simulation software Abaqus is used to carry out thermal modal calculation and analysis on the exhaust system.? Two schemes are analyzed in this paper， and the latter is an optimization of the former.? By increasing the support points， the exhaust system can avoid the ignition excitation frequency section corresponding to the common engine speed， which has achieved good results and effectively avoided the faults caused by engine resonance.

關鍵詞：排氣系統;熱模態分析;靜強度分析

Key words： exhaust system;thermal modal analysis;static strength analysis

中圖分類號：U664.81? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0048-03

0? 引言

排氣系統是發動機上非常重要的系統，它的設計要考慮排氣溫度、流量等影響因素。本文主要利用Abaqus[1、2]結構仿真軟件對某船用發動機排氣系統的可靠性進行仿真分析，為排氣系統的設計和改進提供指導方向及改進建議[3、4]。

本文通過模態計算分析的方法，針對原方案模態較低提出了改進方案，較大的提高了該排氣系統的模態。

1? 有限元模型

1.1 排氣系統建模

因設計需要將增壓器位置較高，排氣系統模型如圖1所示，各部件材料屬性如表1所示，質量屬性如表2所示。

對排氣管、增壓器、墊塊等進行網格劃分，均采用二階四面體網格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 接觸及邊界條件

模態計算時，各部件采用TIE連接，空濾采用質點耦合到渦輪端，對質點賦空濾的實際質量，接觸定義如圖3所示。計算時，固定排氣管與機體相連的螺栓孔處六向的自由度，計算邊界如圖4所示。

2? 計算結果分析

2.1 模態計算結果分析

因排氣溫度較高，對系統模態產生影響，因此計算時考慮排氣管溫度隨溫度變化，施加700℃溫度場。

對該排氣系統進行約束模態計算分析，計算結果如表3所示，一階振型圖如5所示。

該排氣系統約束模態一階頻率為79Hz，低于發動機額定轉速（1800rpm）下點火激勵，存在共振風險，系統一階模態應提高至108Hz以上。

2.2 靜強度計算結果分析

對排氣接管進行靜強度計算分析，施加最大螺栓預緊力，及六向沖擊，單方向15g，計算結果如表4所示，最大Mises應力分布云圖6所示。

排氣接管在各向沖擊下產生的最大Mises應力為69Mpa，高于材料RuT450的700℃屈服強度極限60MPa，強度不滿足設計要求。

3? 優化設計及校核

3.1 結構優化

根據一階約束模態振型圖，對該排氣系統進行結構優化，在增壓器排氣接管處增加支撐支架，以提高整個系統的模態。優化后結構如圖7所示。

3.2 優化后計算結果

利用Abaqus軟件對優化后的結構進行熱模態計算分析和靜強度計算分析。

根據熱模態計算結果可以看出該排氣系統的前兩階模態均有較高的提升，表明優化后的結構剛度明顯提高。模態計算結果如表5所示，一階約束模態振型圖如圖8所示。

優化后的結構，排氣接管在各向沖擊下產生的最大Mises應力為56Mpa，低于材料RuT450的700℃屈服強度極限60MPa，強度滿足設計要求，靜強度計算結果如表6所示，最大Mises應力分布云圖9所示。

4? 結論

該機型在排氣系統設計階段，利用Hypermesh和Abaqus對該排氣系統進行熱模態及靜強度分析，根據分析結果對結構進行優化改進，整個系統的剛度及強度均得到改善，避免發動機到市場應用出現故障。

應用結構仿真的方法可以很好地指導設計，縮短開發周期，節約開發成本，有效地控制故障率。

參考文獻：

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]許一，吳寒.基于ABAQUS的建模與仿真[J].數字化用戶，2013（18）：108-109.

[3]吳永橋，郡奉林.汽車排氣總管的靜力分析和模態分析[J].武漢汽車工業大學學報，2000，22（1）：10-13.

[4]田育耕，劉江華，王巖松，許振華.汽車排氣系統振動模態分析及懸掛點優化[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2009，28（12）：995-998.

[5]許一，吳寒.基于ABAQUS的建模與仿真[J].數字化用戶，2013（18）：108-109.

[6]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.