汽车排气系统耐久性分析

汽车排气系统是汽车的重要组成部分，其一端与汽车发动机相连，另一侧通过吊钩、吊耳与汽车底盘相连。从设计角度讲，汽车排气系统都有诸如质保、耐久性要求。排气系统的耐久性与其在使用过程中所受的力载荷有关的。整个排气系统可以分为热端与冷端，其区分一般是挠性节之前部分为热端，挠性节之后的部分为冷端。通常排气系统热端刚度比较大，温度也较高，热端的耐久问题主要由发动机的振动导致；对于冷端系统，由于在热端与冷端之间有挠性节，可以衰减发动机的振动，故排气系统冷端的耐久通常是由路载决定。

本文运用Altair公司提供的软件模块HyperMesh与RADIOSS对某汽车排气系统冷端消声器出气管断裂进行了分析。

1 路试数据

按照机动车辆耐久性要求，汽车本体及各零部件在量产前需要进行各种路面的跑车实验。如图1为某汽车排气系统在完成大约60%规定耐久路面时，消声器出气管断裂图片。

图1 某消声器出气管断裂照片

2 有限元分析

如图2为某汽车排气系统有限元模型。该模型由一个挠性节、一个消声器、三个吊钩以及排气管组成。其中挠性节用弹性单元模拟，消声器壳体及排气管用壳体单元模拟，实芯吊钩用实体单元模拟。

图2 汽车排气系统有限元模型

由路试数据知：排气系统发生断裂的位置位于消声器出口端，断裂位置位于挠性节之后，故本计算主要考虑了路载是否是导致其失效的原因。由于汽车排气系统在路试以及将来使用过程中，任意时刻的路载数据是不确定的，故本计算采集了排气系统在最恶劣路试阶段的一组数据，然后对数据进行了处理，进而对排气系统进行随机响应激励下的分析。随机激励通过排气吊耳以及发动机悬置对排气系统进行作用。对于排气系统而言，其各零部件为焊接件，通常发生疲劳耐久失效的位置为焊接区域，故本有限元计算结果提取了各关键部位应力值，如图2中1-9号位置。如图3中的baseline为在采集的随机激励下各关键部位的最大等效应力值。

图3 排气系统随机激励下应力响应

由计算数据可知：消声器出口端以及吊钩2(图2中7号位置)与管子焊接处应力很大。进一步分析baseline模型消声器的内部结构发现：baseline模型中消声器出口管是类似悬臂梁的设计，如图4所示。为了降低消声器出口端管子的受力，提高其耐久特性，在不改变声学特性的基础上将消声器出气管延长到了挡板上，如图5所示。更改后的模型在随机激励下关键部位应力值如图3中Iteration1数据，可以看到消声器出口端应力值下降了72%，而吊钩2所在位置应力值下降不明显，仍然存在耐久失效的风险。为了降低吊钩2与管子焊接处的耐久风险，在吊钩2处增设了支撑吊钩，增设支撑吊钩以及更改消声器出口端设计后随机激励应力响应如图2中Iteration2，可以发现相比baseline，Iteration2中吊钩处最大应力下降80%。由此，根据相关疲劳理论以及baseline当前路试数据信息可以判断，本设计可以通过路试要求，排气系统的耐久特性能够被满足。

3 结论

本文以某汽车排气系统消声器出气管断裂事件为研究对象，运用Altair公司提供的相关软件进行分析研究，成功解决了消声器断裂导致的系统失效问题，并通过模拟仿真对排气吊钩进行了优化设计，为该类问题的解决提供了思路。

4 参考文献
[1] Altair Engineering, “RADIOSS Training Material”.
[2]于开平 周传月 谭惠丰等编著 HyperMesh从入门到精通 科学出版社 2005.5
[3] 庞剑 谌刚 何华等 汽车噪声与振动-理论与应用， 北京：北京理工大学出版社.2006.6