某型汽車排氣催化器開裂原因分析

關鍵詞：排氣系統;流- 固耦合;熱機械疲勞;等效塑性應變增量

0 引言

排氣系統的受力狀態非常復雜，系統長時間處于高溫高壓的極端環境下，而且在外部道路條件、高溫廢氣沖擊和發動機的激勵下振動，所以非常容易發生疲勞開裂。大多數的疲勞開裂故障發生在催化轉化器和歧管連接部位，開裂的原因非常復雜，材料性能、加載條件、焊接質量和結構應力等，都會對排氣系統性能產生重大影響[1]。

本文對某車型排氣系統結構進行了研究，針對其排氣催化器疲勞開裂故障進行了詳細分析，重點考慮系統冷熱交替負荷下的熱疲勞與高溫環境下材料性能下降的因素。結合模擬仿真分析和材料的金相檢查，系統闡述了排氣催化器疲勞開裂的原因，并提出改進方案，通過CAE 對比分析改進有效并完成可靠性驗證。

1 問題描述

某車型排氣系統主要由排氣歧管、催化轉化裝置、波紋管、副消聲器、主消聲器、尾管以及排氣系統懸掛裝置等組成。其中排氣歧管與催化轉化裝置通過10 mm 厚的法蘭盤進行連接。這套排氣系統在一次整車耐久路試過程中，當進行了1.5 萬km 的測試，被發現有端蓋圓角部位發生了開裂[2]，具體位置見如圖1所示。通過對斷口處進行觀察，發現斷口截面較為粗糙，有疲勞紋路，符合疲勞斷裂特征。

失效件斷裂處金相檢查表明（圖2），奧氏體析出數量較多且尺寸較大的晶粒，呈現大顆粒狀或連續鏈狀，鐵素體和珠光體相應的減少。初步分析為圓角處高溫下材料性能下降，在應力集中作用加上冷熱交替變形后的疲勞失效[3]。

2 改進方案

因故障為結構與材料綜合的結果，因此結構改進上消除產生應變集中的圓角與管路折彎，材料由SUH409L 升級為SUS441。

3 改進前后有限元對比分析

3.1 邊界條件

催化器與歧管固定在發動機缸蓋上，并通過筒體上的支架固定在發動機缸體上，后面連柔性節（圖3）。發動機歧管處排氣溫度為850℃。

3.2 CFD 與溫度分析

CFD 分析用來確定流場與溫度分布，進而確定不通位置的材料彈性模量變化。

流場分析的微分方程式如下：

當通用變量方程中的各參量φ 、Γ 以及Sφ 取相應的不同值時，式（1）就可以表示為連續性方程、動量方程、能量方程、湍動動能方程及湍動耗散率方程。

溫度分析的微分方程式如下：

3.3 溫度場仿真分析結果

通過流體分析計算可以得到排氣系統的壁面溫度云圖（圖4）。可以看出排氣在通過排氣歧管后，在催化器的進氣口錐端（斷裂位置）到達最高溫度780℃以上。高溫氣體由狹窄的歧管通向催化器，由于截面寬度的變化導致氣體流速發生變化，使得錐端的溫度持續升高。而且隔熱罩的包裹使得催化器內部散熱較差，也是這部分溫度較高的原因[4]。

3.4 機械熱疲勞分析計算

等效塑性應變用于評估材料的抗熱疲勞能力，它的物理意義是為了記錄3 個加熱冷卻循環后材料的塑性應變增量，用ΔPEEQ表示。計算公式為：

采用HyperWorks 軟件對排氣系統進行網格離散后導入abaqus 軟件，設置溫度加載步驟并賦予材料屬性（表1）。材料屬性是隨溫度變化的非線性曲線。

分析結果如圖5，端蓋圓角處的值大于其他區域，而原方案在端蓋圓角處的ΔPEEQ 大于經驗風險值1%，改進后的值小于1%，改進有效（表2）。

4 試驗

改進前后的催化器通過發動機臺架與路試做等條件對比試驗，結果證明改進前未完成試驗就失效，改進后通過試驗驗證，改進有效（表3）。

5 結束語

通過以某款車的排氣系統作為研究對象，由于其在路試過程中發生催化器端蓋斷裂，分別對其進行了材料金相分析和有限元仿真分析，得出結論如下。

（1）高溫導致材料內部晶粒發生了變化，大量的奧氏體析出，使得材料變得又硬又脆。因此應該更換耐高溫材料，或者取消催化轉化器的外部隔熱棉，使得熱量散發有效降低構件溫度，從而提高構件疲勞壽命。

（2）由熱疲勞強度分析可知，斷裂位置的第三輪等效塑性應變增量ΔPEEQ 明顯大于1%，使得零件有熱疲勞斷裂的風險，這與斷裂的部位相吻合。危險部位發生在催化器進氣口錐端，有必要通過實驗來進一步驗證。溫度載荷的重要性不言而喻，設計的零件必須考慮高溫耐久性。

（3）由于本文分析模型的簡化以及材料屬性非線性的影響，熱疲勞壽命與實際有一定的差距，但是通過分析能夠有效預防此類斷裂的再次發生。針對本篇文章中催化器的斷裂部位采取措施，如更換耐高溫的材料，設計蚌殼結構的進氣口錐端，以及對一些部位進行加固處理，可以提高疲勞壽命，有效縮短產品的研發周期，降低成本。