基于頻域加速理論的SCR混合器結構優(yōu)化及驗證*

李 偉

(天納克(中國)有限公司，江蘇 蘇州 200086)

0 引 言

中國經濟近30年來快速發(fā)展，柴油機動車的機動車發(fā)展異常迅速，近年的增長率達到了15%[1-2]，但是給空氣環(huán)境帶來了污染，環(huán)保部的數據表明整個大氣中的78%的NOx和82%的PM來自柴油車[3]，為了抑制環(huán)境的進一步惡化，國家制定了更加嚴苛的排放法規(guī)，各大汽車主機廠紛紛根據排放法規(guī)制定排放升級路線，目前市場上的卡車仍在實行國五排放法規(guī)，對于中性卡車和輕型開車主流采用SCR的技術路線，采用選擇性還原催化劑將尾氣中危害程度較高的氮氧化物還原成氮氣[4]。

混合器作為SCR載體前的前置裝置，是整個SCR系統(tǒng)的核心部件，所承擔的功能主要有3個：第1是霧化，簡單講就是使尿素顆粒變小，可以增加尿素顆粒在廢氣中的換熱面積；第2是蒸發(fā)，捕捉尿素顆粒并和廢氣換熱蒸發(fā)，通過混合器充分利用廢氣中的熱量，同時可以避免尿素和處于低溫區(qū)的混合管的直接接觸，降低結晶風險；第3是混合，通過混合器增加流動均一性和蒸發(fā)均一性均較高，從而提高SCR轉化效率，保證轉化器可以處理原排更高的氮氧化物。

混合器長期處于高溫，高濕以及高腐蝕環(huán)境的介質中，且收到氣體沖擊，和結構振動的復雜化學和物理環(huán)境，屬于容易發(fā)生容易失效的部件。

1 故障描述和路譜采集以及數據處理

某主機廠的SCR后處理器在整車路試試驗場完成10萬km特殊路況的耐久試驗路試后的混合器失效，試驗結束后對樣件進行解剖，失效位置如圖1所示：從A1位置處進行解剖，發(fā)現混合器的繞流板在該位置發(fā)生了開裂，后續(xù)就將從原始數據采集，仿真分析和試驗驗證3個步驟介紹該故障的對策過程。

圖1 混合器失效位置示意圖

故障發(fā)生后，獲得SCR后處理器在整車上所受到的載體表現，即時域的加速度型號，采用加速度儀采集了SCR后處理安裝在整車上的加速響應，為了復現失效路試的載荷，數據采集的路況和路試試驗的保持一致，主機廠的整個路試周期包含3種典型路況，高速路，山路和強化路，由于SCR混合器和發(fā)動機之間有波紋管解耦，SCR后處理在整車的激勵主要來自車架，車架的激勵主要來自路面，一般情況下在Z向(垂直路面方向)受到的載荷最大，因此采集Z方向的振動加速度，通過信號處理工具將數據中的奇點去除，得到如下時域條件下的加速度數據，見圖2所示。

圖2 不同路況下加速度響應時數據

由于后處理懸掛于車架底盤，在行駛過程中SCR后處理器以承受路面振動激勵為主，因此只對采集的三種不同路面激勵下車架的Z方向的加速度響應信號進行傅里葉變換，分析得到如圖3所示等效PSD頻域曲線，頻率范圍為關注的20～1 024 Hz，RMS值為0.73 m/s2，RMS值為分別為0.76 g，0.51 g, 0.50 g。

圖3 等效加速度PSD曲線

2 混合器有限元仿真分析

考慮到混合器的W失效的形式可能主要由氣流沖擊和振動導致，該文分析主要通過模態(tài)分析和隨機振動分析的方式優(yōu)化失效的位置。

2.1 邊界條件和有限元建模

在第一步的路譜數據采集的過程中，采集了支架位置的加速度數據，為了匹配路譜的數據，Hyperworks的建模參考整車坐標系，劃分網格如圖3所示，由于后處理的均是由1.0～1.5 mm的薄板結構，且厚度均勻，因此將SCR后處理的面抽取出來，導入Hyperworks進行網格劃分。約束條件如圖所示，根據SCR后處理在實車上的連接狀態(tài)，在進氣端和安裝支架位置設置約束，波紋管根據實際的屬性試制參數，彎曲靜剛度為0.3 N/mm，壓縮靜剛度3 N/mm，橡膠減振墊的靜剛度，在X向和Y向為250 N/mm,在Z向為500 N/mm，根據減振墊的材料屬性，動靜剛度比設置為2:1。在約束相應的位置施加上述圖3中的激勵，進行FEA仿真分析。

圖4 網格建模和邊界約束條件示意圖

2.2 仿真結果和分析

將Hyperworks中預處理模型導入Nastran求解器，通過隨機振動分析模塊進行垂直隨機振動分析，得到結果如圖5。

圖5 混合器隨機振動應力響應云圖和一階模態(tài)

圖中復現了路試試驗車的故障，如圖中圓圈中所示，應力值為52.5 MPa即繞流板和墻體的焊接位置，分析得到該部件的一階模態(tài)值為176 Hz。而發(fā)動機的最大轉速是3 000 r/min，即30 r/s，發(fā)動機是6缸機，每個缸的每個循環(huán)包括進氣，壓縮，燃燒和排氣四個沖程，曲軸轉動一周對應3個循環(huán)，因此對應的點火階是3次/s，對于受到熱氣后處理產品一般選取安全系數1.5，計算得知發(fā)動機氣流的主階次是225 Hz，高于該部件的一階模態(tài)，因此該處位置容易被激勵起來，產生共振。產品優(yōu)化過程不但需要降低該處的應力，還需要提升該處的模態(tài)。

利用Nastran求解器的隨機振動分析模塊，對后處理器全系統(tǒng)進行垂向隨機振動分析并提取混合器結構結果如圖5所示，可見Z向激勵(上下擺動)峰值應力響應出現在翅片與腔體焊接處，即路試件耐久失效位置，如圖1所示。

2.3 改進后方案和壽命分析

通過對混合器的結構分析表明，該處應力較大的原因是主要是繞流板和殼體之間是滿焊，在受熱的變形時，熱應力因焊縫的剛度較大無法釋放，且該處僅和殼體連接，模態(tài)較低，受到氣流擾動時容易出現失效，圖6顯示了混合器的支架結構優(yōu)化，將繞流板和腔體的滿焊變?yōu)槎魏福黾訄A圈中的兩個小支架。段焊的目的是釋放繞流板兩頭的剛度和熱應力，有利于混合器在收到熱沖擊時候在未焊接處釋放變形，從而降低此處收到的熱應力。增加小支架的目的是增加兩個擾流板的剛性連接，在受振動載荷時候一起擺動，增加系統(tǒng)的模態(tài)，減少系統(tǒng)的共振風險。

圖6 改進后混合器結構

圖7中的結果表明失效位置的峰值應力由原來的52.5 MPa降低至40.9 MPa，應力下降幅度超過20%，且SCR混合器單元的1階模態(tài)由176 Hz大幅提升至590 Hz，且高于發(fā)動機的氣流的主階次225 Hz，避開了共振點，即擾流板不容易被激勵起來，開裂風險降低。

圖7 改進后仿真分析結果

根據典型的S-N方程(1)[5]：

S=N-b

(1)

式中：N為壽命;S為應力。

在充分考慮可靠度和置信度的前提下，取斜率k=5(k=1/b)，代入方程求解失效部位的結構壽命可提升3.5倍。

3 混合器的振動試驗對比驗證

3.1 等效加速分析

由于失效發(fā)生在整車路試，為了加速完成相關的試驗驗證，通過電磁激勵的振動臺上進行耐久試驗驗證，并和實際的試驗驗證建立等效關系，從而確認改進的方案是否滿足設計目標，即通過10萬km的路試試驗。

基于疲勞損傷累積原理，振動試驗臺架的經過加速驗證的樣件的損傷應等于試驗場各種路面下的損傷的累加，且加速后的振動加速度功率譜密度GED和振動時長TED符合如下方程，通過該方法可以通過試驗臺架等效驗證改進方案的設計壽命：

(2)

式中：Teq為(等效)測試時間；aED(f)為振動臺試驗加速度PSD；M為1/b；K為單自由度剛度；Q為1/2ζ,ζ=阻尼系數；FDS為疲勞損傷譜。

3.2 加速振動試驗驗證

(1) 試驗方案

試驗為了最大程度的驗證混合器方案的改進效果，采用混合器部分的樣件進行試驗，固定的位置和安裝支架和整車保持一致，支架通過螺栓固定在振動試驗臺上。加速度反饋傳感器布置在振動試驗臺的中心位置，確保加速度值和路譜相關聯，加速度傳感器和電磁臺架形成閉環(huán)，保證實際激勵和輸入相一致。為了模擬Thermal對整個大包耐久的影響，試驗的過程中向殼體內部通入高溫氣體，進氣的溫度參考實車采集的溫度，試驗驗證同時考核振動和熱氣對混合器的影響，試驗定義進氣溫度為發(fā)動機額定功率下的溫度450 ℃，實際工作溫度基本低于該溫度，因此試驗的工況更加苛刻，試驗的結果可以表征樣件在整車上耐久表現。樣件改造和試驗裝夾見圖8。

圖8 樣件改造和試驗裝夾

(2) 試驗振動輸入PSD譜

設計壽命滿足R90C50的可靠度要求，Weibull的分布指數假設為3，根據壽命等效原理，樣件需要通過3倍的壽命的測試循環(huán)。通過轉換將加速度轉化為等效的功率譜密度曲線，見圖9，考慮到試驗的經濟性，將試驗的時間定為50 h，經過方程式(2)計算RMS值大約是3.2 G。該曲線作為振動臺架的激勵輸入進行試驗。

圖9 功率譜密度曲線

為了測試變化前后的混合器的能力變化，試驗采取階梯振動的試驗方法，直至樣件開裂，從而在短時間內得到樣件的壽命，具體做法是即給定初始振動的Grms值，通過后，將初始Grms值逐漸增大，直到樣件失效，試驗驗證采用4 Grms的初始值，每個加速度激勵水平下振動2 h，每次遞增的幅度為0.8 Grms，直至樣件失效，對改進前后的樣件分別進行階梯測試，根據破壞條件下的Grms值，對比得出混合器的壽命相對關系。

改進前的樣件在6.4 Grms的振動激勵下失效，改進后的樣件在10.5 Grms的振動激勵下發(fā)生失效，如圖10，失效的位置和FEA仿真結果預測一致。

圖10 振動試驗失效位置照片

由于改進前后的結構變動較小，可以認為不同載荷水平的S-N曲線保持不變，k=5，各個壽命等效到3.2 Grms，通過的標準為50 h，即50 h對應客戶路試場測試的100，000 km的測試里程，通過失效的時間點，可以計算出改進前的壽命為28.6 h，改進后的壽命為452 h，安全系數為9，可以滿足客戶的特殊路況的100,000 km的耐久路試要求。

4 結 語

該款SCR后處理的混合器在路試中的失效，通過有限元仿真識別出了失效位置的高應力，優(yōu)化方案該處的應力下降了20%。將載荷轉化為Grms值，采用階梯測試的方法得出改進前后的壽命變化情況，試驗結果表明壽命提升到9倍，滿足客戶的整車路試的耐久試驗的壽命要求，該方法可以作為后處理系統(tǒng)結構耐久改進的一般方法。