基于Abaqus的催化器总成热循环应力分析

摘要： 基于Abaqus的稳态热分析和热力耦合分析功能，在给定热边界条件下计算某催化器总成稳态热分布；利用Abaqus的顺序耦合功能计算催化器总成在循环温度下的热应力，得到关键部件处的热应力和塑性应变.根据结果初步评价该催化器总成在热循环冲击载荷下的强度特性，为热冲击试验和结构优化提供参考.

关键词： 催化器总成； 热分析； Abaqus

中图分类号： U464.134.4；TB115.1文献标志码： B

引言

三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置之一，它可将汽车尾气排出的一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等有害气体通过氧化和还原作用，转变为无害的二氧化碳、水和氮气.

催化器进气法兰直接与发动机出气孔相连，出气法兰又与排气管道相连，发动机的高温高压废气

直接进入催化器，并通到尾部的排气管道.在此期间，温度和压力都发生巨大的变化，对催化器法兰、进气歧管和端锥等会产生巨大的压力和温度冲击作用.

通过有限元分析，计算出法兰、歧管和支架等关键部件处的热应力，以及热载荷循环后的塑性应变，以评价结构安全性，为优化设计提供指导.[1]催化器总成示意见图1.图 1催化器总成示意1有限元模型与边界

1.1条件热分析

计算热应力前，首先要精确计算出结构的温度场分布状况.一般，三维问题温度场变量Φ（x，y，z）应满足的微分方程见式（1）.式中：为材料密度；k为材料导热系数；Q为内部热源密度；Φ=为Г1边界上给定温度；h为对流换热系数.通过式（1）可求得稳态温度场分布Φ.[2]

1.2有限元模型

有限元分析网格模型见图2.本文模型包括进气法兰、进气管、端锥、支架和出气法兰等，材料为409和439不锈钢，包含104 309个单元和87 502个节点，使用C3D8I六面体单元[3].

图 2有限元分析网格模型

1.3边界条件

温度边界条件包括进气管内部和端锥内部等强制边界条件，催化器热源温度和外表面对流边界条件等.[4]热力耦合边界条件包括进气法兰和支架处螺栓孔的固定边界条件.

1.4计算工况

（1）稳态热分析，计算催化器总成温度场.（2）加载温度场，计算热应力.

2计算结果和分析

2.1热分析结果

催化器总成温度场分析示意见图3.

图 3催化器总成温度场分析示意

2.2热应力计算结果

在热循环分析中，顺序依次循环加载3次温度场，然后恢复至室温，得到热应力结果.催化器总成变形位移示意见图4.

图 4催化器总成变形位移示意

催化器总成热应力示意见图5，催化器总成塑性应变示意见图6，进气法兰一节点塑性应变历程示意见图7.

图 5催化器总成热应力示意

图 6催化器总成塑性应变示意

图 7进气法兰某节点塑性应变历程示意通过上述分析可知，进气法兰、进气管和支架处以及加强筋处产生较大的热应力.在进气法兰热应力较大处某节点，提取塑性应变PEEQ历程数据，该值在1%以内即可接受；否则，较大的塑性应变可导致材料发生疲劳.[5]

根据以上结果，可对进气法兰、进气管热应力较大位置进行结构优化，如优化加强筋、翻边等，以提高结构的安全性.

3结论

介绍利用Abaqus分析催化器总成温度场分布，以及在此温度场下循环温度载荷作用下的热应力，得到以下结论.

（1）通过对催化器总成的温度场分析，可以了解法兰、端锥内外表面的温度场分布，再根据高温试验进行对比验证.

（2）在此温度场下进行循环热载荷分析，得到催化器总成热应力分布和塑性应变分布，再根据热冲击试验，可知进气法兰处相同位置产生微裂纹，与计算结果一致.参考文献：

[1]曹金凤， 石亦平. Abaqus有限元分析常见问题解答[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009： 170172.

[2]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2003： 89.

[3]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 23.

[4]庄茁. Abaqus/Standard 有限元软件入门指南[M]. 北京： 清华大学出版社， 1998： 18.

[5]朱伯芳. 有限元法原理与应用[M].北京： 中国水利水电出版社， 2004： 224225.（编辑陈锋杰）第22卷 增刊22013年10月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013