基于Abaqus的某汽油机排气歧管隔热罩优化分析

摘要： 用Abaqus对不同类型非线性复合材料隔热罩进行振动分析，预测不同设计方案的排气歧管和催化器隔热罩的振动情况，并展示使用LMS.TestLab对噪声优化效果验证的主要过程.

关键词： 非线性； 复合材料； 隔热罩； LMS.TestLab； Abaqus

中图分类号： U464.138； TB115.1文献标志码： B

引言

发动机排气歧管因为要排出做功燃烧后的高温废气到达前端三元催化器，会高温发热，为降低辐射的高温对附件部件的热蚀，需要在其外部安装隔热罩.隔热罩需要在能够满足隔热的基本性能需求基础上具备优良的热反射性能，缩短三元催化器的起燃时间，减小发动机在冷起动阶段有害物的排放量.[1]由于排气歧管各管路截面变化明显的管道内存在高速流动的气体，会产生强烈的气动噪声和振动辐射，影响整机的NVH性能，需要使排气歧管隔热罩能够起到一定的隔振降噪性能.

目前，国内较常用的排气歧管隔热罩主要有单层式镀铝钢板结构和双层式镀铝钢板中空结构，工艺简单，成本较低，能起到隔热和防腐蚀的作用，在一定程度上满足隔热和热反射以及耐热机疲劳等需求，但由于其刚度较低，容易受排气歧管振动激励发生共振，成为突出的高频噪声源，影响发动机NVH性能.

1项目简介

江淮汽车某款汽油机的隔热罩原始设计方案采用双层式镀铝钢板中空结构，整机NVH性能测试发现，排气歧管和催化器隔热罩对整机噪声贡献度很大，声阵列扫描也发现在很多频率段排气歧管和催化器隔热罩是主要的噪声源，见图1.

图 1发动机全速全负荷2 kHz排气侧声学扫描图

为改善排气歧管噪声状况，拟采用双层薄钢板包含玻璃纤维隔热层形成的整体式排气歧管和催化器隔热罩.经CAE形貌拓扑优化[2]，对外层钢板添加特定的凸起加强筋，提升隔热罩模态特性[3]，使其具有良好的振动特性；并进行振动性能CAE分析，预测振动特性和优化设计方案，使其在有限的空间内满足隔热功能的基础上具有减振降噪性能，优化发动机NVH性能.

2振动分析

2.1有限元模型创建

分析模型包括排气歧管、排气歧管隔热罩、催化剂、催化剂隔热罩、法兰和支架等.使用HyperMesh对模型进行网格划分.模型见图2.隔热罩采用双层0.4 mm厚的SA1D镀铝钢板，包含一层1 mm厚的硅酸铝纤维纸隔热垫，钢板与隔热垫应贴合紧密，焊接均匀牢固；钢板去飞边和毛刺.硅酸铝纤维纸隔热垫的性能参数为：密度0.9～1.1 g/cm3，拉伸强度≥45 MPa，烧蚀量≤20%（800 ℃×1 h）；前端催化器部分隔热罩采用三螺栓约束，歧管上方部分隔热罩也采用三螺栓约束.

图 2排气歧管系统有限元模型

各部件的材料属性见表1.表1中，两层SA1D和一层玻璃纤维的三明治式隔热罩的剪切模量G12为3 040.0 MPa，G13为2 169.0 MPa，G23为2 169.0 MPa；催化剂质量为3.6 kg.

2.2模态分析

用Abaqus分别将隔热罩设置成三层复合材料属性和单层SA1D材料属性，约束计算其前3阶约束模态频率，其模态频率见表2.可知，采用三层复合式隔热罩，模态特性大幅提升.

2种隔热罩的排气歧管子系统1阶模态振型和频率见图3.

图 3单层和三层隔热罩1阶模态振型和频率

由计算可知，振动幅度最大的区域都发生在排气歧管隔热罩的四周和前端催化剂的尾部区域.由于其刚度较低，在低频率段的频率密集.

2.3振动分析

在排气歧管隔热罩上施加持续时间为0.2 s的载荷，选择瞬时模态动态分析步的分析步时间为1.5 s，观察2种不同的隔热罩振动及其衰减过程.系统的阻尼设定为Rayleigh阻尼，其中，质量矩阵M的因数α设为3，刚度矩阵K的因数β设定为0.

在频率计算中，前6阶的最高频率为331 Hz，相应的周期为1/331=0.003 02 s.瞬时模态分析步的时间增量小于此周期，因此选定时间增量为0.001 s.约束排气歧管与缸盖接触端螺栓孔以及前端催化器支架，见图4.

分别提取不同增量步的计算结果，可以看出单层隔热罩的振动在0.2 s后急剧衰减，但在前载荷施加的0.2 s内振动幅度明显较大；三层式隔热罩在整个分析周期内都保持一定的振幅，逐步衰减.这与材料的属性相吻合，三层式隔热罩有较大的阻尼，能使瞬时施加的载荷能量在较长的时间内逐步耗散，振动幅度较小.

为证明其结果，查看各个时间增量步的von Mises应力云图，在Results结果后处理功能菜单中绘制排气歧管上顶点应力时间曲线.单层式隔热罩的应力时间曲线见图8，可知，随着载荷施加的结束，响应点应力急速地下降，其加载时间段内响应应力均值约为2 MPa.再提取单层式隔热罩上顶点振动位移时间的曲线（见图9），也具有类似的属性，在加载周期内，排气歧管隔热罩上顶点的响应位移幅值较大，均峰值约达到0.05 mm，在加载结束后（0.2 s），位移幅值急剧下降，缓慢衰减至静止.

图 8单层式隔热罩上顶点应力时间曲线

图 9单层式隔热罩上顶点位移时间曲线

三层式隔热罩的应力时间变化曲线见图10，可知，随着载荷施加的结束，响应点应力仍保持一定幅值，逐渐衰减，其整个分析周期内响应应力均值约为0.2 MPa，远低于单层式的隔热罩响应应力.再提取三层式隔热罩上顶点振动位移时间曲线，见图11.在加载周期内，振动极限幅值达到0.025 mm，约为单层隔热罩的50%；随着加载结束（0.2 s），位移幅值相对缓慢下降，但相对于单层隔热罩，幅值较高，在较长的周期内逐渐衰减至静止.

图 10三层式隔热罩上顶点应力时间曲线

图 11三层式隔热罩上顶点位移时间曲线

根据上述分析可知，三明治式三层隔热罩对施加的载荷响应相对较低，能将外界施加的载荷能量在较长时间内缓慢释放，起到显著的减振作用.三层式隔热罩和单层式隔热罩响应应力峰值分别为0.5 MPa和2.5 MPa，也即中间带玻璃纤维的三层式隔热罩的响应比率约为单层式的20%；振动位移幅值分别为0.025 mm和0.050 mm，即三层隔热罩位移幅值是单层隔热罩振动幅值的50%.同时，玻璃纤维具有一定的吸声作用，能对排气歧管和催化器辐射出的空气传播噪声进行降噪.因此，可以判断中间带有玻璃纤维的三层式隔热罩具有良好的减振降噪作用，推荐使用三层式隔热罩替代单层式隔热罩.

3试验验证

为验证优化方案的降噪效果，在消声室使用LMS.TestLab进行发动机台架NVH性能测试，见图12.在发动机左（进气侧）、右（排气侧）、前端和上方1 m处及下方0.2 m处布置5个麦克风，通过拆除、更换隔热罩进行噪声声压级对比和噪声传递损失分析，评估优化效果.

图 12不同隔热罩四方声压级均值曲线

如图12所示，对安装单层式隔热罩、移除单层式隔热罩和安装三层式隔热罩等3种工况进行发动机进气侧、排气侧、前端和上方的四方声压级测试，可知安装单层式隔热罩反而会增加辐射噪声，而三层式隔热罩使总体噪声降低2 dB（A）左右，其传递损失见图13.

图 13单层式和三层式隔热罩传递损失

4结束语

排气歧管与催化器隔热罩是一种隔热、隔振、吸声降噪的关键部件.如果设计不佳，不仅不会起到降噪作用，甚至反而会成为主要的噪声源.本文介绍使用Abaqus软件对不同类型的非线性复合材料隔热罩进行振动分析，预测不同设计方案的排气歧管和催化器隔热罩的振动情况，并展示使用LMS.TestLab测试工具对噪声优化效果验证的主要过程.参考文献：

[1]张翠平， 王铁. 内燃机排放与控制[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.

[2]张胜兰， 李楚琳. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.

[3]胡建国， 王雁， 李捷. 外壳冲压工艺与模具设计[J]. 模具工业， 2009， 35（11）： 2932.