汽油机排气歧管热模态有限元分析及试验研究

摘要

发动机升功率的提高使得关键零部件的热负荷不断增大。汽车的排气系统中，排气歧管通过螺栓与缸体进行装配，它在工作过程中与高温废气直接接触，承受着从常温到近千摄氏度高温的冷热交变热负荷作用，并且在交变热负荷及排气的冲击下产生振动现象。因而研究螺栓预紧力及温度效应对排气歧管的振动特性的影响是有必要的，对结构的设计具有重要的意义。
　　 本文是基于某排气歧管有限元分析项目展开。主要采用有限单元法对排气歧管模型进行热模态分析，对于螺栓预紧力、温度梯度分布不均匀、接触非线性等问题进行深入研究，并通过设计简单的热模态试验，应用最小二乘复指数法对结果进行分析，来对仿真结果的精确性进行验证。热模态分析对结构共振及其破坏风险提供了一定的参考依据。
　　 首先考虑螺栓预紧力的作用，比较分析冷模态中螺栓预紧力对其频率与振型的影响，其次，考虑温度效应的影响，在有限元软件ABAQUS与流体分析软件STAR CCM+间接耦合的基础之上，较准确的获得排气歧管的温度边界条件，比较分析了排气歧管处于常温的冷模态及温度作用下的热模态的频率与振型。最后根据排气歧管的工作状况，进行了排气系统热端模型的热模态分析，其间考虑了部件受温度影响的材料非线性、温度预应力、装配的接触非线性及螺栓预紧力等问题。通过以上结果分析表明，考虑非线性预应力及螺栓预紧力对排气歧管的热模态具有较大的影响，总体上会使频率降低且对结构振型的扭转刚度影响较大。
　　 通过LMS数据采集设备对排气歧管进行热模态试验测试。在排气歧管上布置11个测点，建立排气歧管的模态模型，用锤击法对排气歧管进行冷、热模态的频率以及振型的提取。通过试验和有限元分析结果对比发现误差小于5％，证明了有限元分析与试验的一致性，温度的升高会使排气歧管的固有频率下降。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 热模态分析常用有限元工具

1．4 本文研究思路及主要工作

第2章 模态分析的理论及其应用

2．1 模态分析的有限元理论

2．2 试验模态分析理论

2．3 本章小结

第3章 独立排气歧管冷热模态分析及对比

3．1 排气歧管有限元模型的建立

3．2 排气歧管冷模态分析

3．3 排气歧管热模态分析

3．4 排气歧管频率评价标准

3．5 本章小结

第4章 整体排气系统热端模态分析

4．1 排气系统的结构及功用

4．2 排气系统热端结构及简化模型

4．3 整体排气系统热端模态分析

4．4 影响因素分析

4．5 本章小结

第5章 排气歧管热模态试验

5．1 模态试验系统的建立

5．2 热模态试验流程

5．3 冷模态试验结果及分析

5．4 热模态试验分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文