基于NASTRAN的某皮卡排氣系統耐久性能 仿真優化研究

朱小文，鐘根丁，劉敏，李想

（江鈴汽車股份有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

1 引言

隨著國民經濟快速發展和各主要城市對于皮卡進城限制政策解禁，商用車尤其皮卡車型銷量得到迅猛增長，而用戶對于皮卡車型的NVH和耐久可靠性能要求也越來越高。排氣系統是整車的重要組成系統部件，其主要由催化器轉化器、消聲器、排氣管、吊鉤等零部件構成，良好的結構強度性能，優異的溫度場性能及耐久性能對該系統有效降低噪聲、減少排放污染等功能具有基礎性影響，其性能優劣直接影響整車NVH性能[1-4]，故研究排氣系統耐久力學性能指標具有重要的經濟和社會意義。

本文采用NASTRAN和HyperMesh軟件，對某商用車皮卡基礎方案和優化方案的排氣系統進行了CAE模態、溫度場和強度分析，多方面校核了排氣系統耐久力學性能，結果顯示排氣系統優化方案避開了發動機怠速共振頻率，溫度場性能分布均勻，耐久性能滿足設計目標。

2 排氣系統CAE模態分析

2.1 模態分析理論

結構系統固有模態頻率及振型是分析結構振動特性基礎，通過模態分析可確定結構的振動特性[5]。 排氣系統的振動方程為[5]：

式（1）中，[M]為結構總質量矩陣；C為阻尼矩陣；[K]為總剛度矩陣； 為加速度向量；{q}為位移向量。

2.2 排氣系統有限元模型

本文采用Hyperworks和Nastran有限元軟件，對某商用皮卡車型排氣系統基礎方案和優化方案進行建模，網格尺寸大小4mm，模型質量分別為42kg和44kg，排氣系統本體材料為Q235，波紋管的動靜剛度參數如表1，排氣系統 FEA模型如圖1所示。

圖1 排氣系統FEA模型

表1 波紋管動靜剛度

2.3 排氣系統CAE模態分析

本文首先對排氣系統基礎方案和優化方案進行了模態分析，提取前四階頻率振型，得到圖2的CAE分析結果，其中基礎方案一階模態頻率為289Hz，二階模態頻率為305Hz，優化方案排氣系統的一階模態頻率為203Hz，二階模態頻率為296Hz，該皮卡車型發動機怠速頻率25Hz，模態分析結果顯示避開了怠速共振帶，滿足目標。

圖2 優化方案排氣系統模態CAE分析結果

3 排氣系統溫度場分析

本文對某商用車排氣系統基礎和優化方案進行了溫度場分析，模擬發動機的尾氣進入排氣系統后的主要零部件溫度場分布，得到圖3的溫度場CAE分析結果，從圖可知，進氣端零部件法蘭和催化器殼體溫度較高，其中基礎方案進氣法蘭771攝氏度，催化器殼體790攝氏度，焊接支架溫度相對較低，為340攝氏度，而優化方案排氣系統的進氣法蘭溫度為758攝氏度，催化器殼體為778攝氏度，焊接支架溫度為320攝氏度，由此得出優化方案較基礎方案溫度下降改善效果明顯。

圖3 排氣系統基礎方案和優化方案溫度場分析結果

4 排氣系統熱應力強度分析

本文對某商用車排氣系統基礎方案和優化方案進行了熱應力分析，熱應力分析順序為：Step1在常溫下使用預緊扭矩將法蘭螺栓和支架螺栓扭緊，Step2為釋放預緊扭矩，保持螺栓在預緊狀態，Step3為加載溫度場得到最高排溫下的預催化溫度分布，計算出PEEQ1，而Step4為將預催溫度降到常溫，計算出PEEQ2，而Step5為再次加載到最高排溫下的預催溫度，計算出PEEQ3。

本文按照上述載荷分析步驟，對某商用車排氣系統基礎方案和優化方案進行了熱應力強度分析結果，如圖4。基礎方案催化器殼體PEEQ為1.84%，焊接支架PEEQ為0.64%，而優化方案的催化器殼體PEEQ為1.51%，焊接支架PEEQ為0.43%，改善效果明顯。

圖4 排氣系統基礎方案和優化方案熱應力分析結果

5 結論

本文基于Hyperworks和Nastran軟件，對某商用皮卡排氣系統基礎方案和優化方案進行了CAE模態、溫度場和熱應 力強度分析，CAE分析結果表明：

（1）排氣系統基礎方案和優化方案CAE模態分析結果顯示避開了怠速共振帶，滿足目標；

（2）排氣系統優化方案的催化器殼體和焊接支架溫度較基礎方案得到下降改善；

（3）排氣系統基礎方案催化器殼體PEEQ為1.84%，焊接支架PEEQ為0.64%，而優化方案的催化器殼體PEEQ為1.51%，焊接支架PEEQ為0.43%，改善效果明顯。

總體而言，排氣系統CAE驗證了其耐久力學性能滿足設計目標，且最終路試通過。