柴油机后处理系统有限元分析及结构优化

摘要

近年来，我国汽车行业发展迅猛，随之而来的空气污染、噪声污染等问题也愈发严重。汽车后处理系统作为排气系统的重要组成部分，在减排、降噪等方面起到不可或缺的作用。后处理系统在实际运行中，受发动机及路面激励的共同作用，同时又受到发动机高温废气的冲击，很容易发生失效，因此对后处理系统进行有限元分析与结构优化设计具有重要的工程意义，也为系统结构的研发设计提供了一定的理论依据。
　　基于某柴油机后处理系统，本文通过相关有限元分析软件对系统进行了模态分析、流固耦合计算和道路谱试验基础上的结构强度与疲劳分析。本文的主要工作内容如下:
　　(1)建立后处理系统有限元分析模型，对后处理系统进行模态分析，根据仿真结果分析实际运行中系统产生破坏的原因。通过结果判断后处理系统在第2、3阶模态下产生共振导致结构发生失效。随后通过平均驱动自由度方法对后处理系统支架安装位置进行预测设计，并对不同设计方案分别做静力分析和全约束模态分析，最终得出合理的设计方案。
　　(2)根据实际结构，建立后处理系统的CFD分析模型，通过企业提供的数据进行边界条件设定，随后对结构进行流固耦合仿真分析，计算得到结构内、外壁面的温度分布和对流换热系数，并对结构中各载体温度和流速分布进行评价，分析得各载体内部温度、流速分布均匀，满足一般使用要求。再根据已计算好的壁面温度和换热系数，将其映射到后处理系统结构有限元模型上，迭代计算得到后处理系统结构的温度场并分析结构的热应力。
　　(3)考虑后处理系统在实际工作过程中受温度作用，结合温度场仿真结果对后处理系统结构进行热模态分析，根据冷、热模态计算结果之间存在的差异，确定更接近实际情况的结构优化方案。
　　(4)由于后处理系统所受路面传递的载荷具有随机性，且在不同实车运行工况下结构受力也不相同，故对试验车辆在试验路段进行道路谱试验，并对试验数据进行相应预处理与一致性校验，确保采集信号的真实性，结合垂向载荷与行车方向结构受力情况，为结构强度和疲劳计算提供输入。
　　(5)根据道路谱试验结果对系统进行热负荷与机械负荷的耦合分析，分析热应力与机械应力共同作用下结构的位移变化与应力分布情况，并在此基础上进行疲劳分析。
　　本文结合有限元分析方法与道路谱试验，对某柴油机后处理系统进行结构强度计算与优化设计，将温度场作用考虑进平均驱动自由度方法中，对产品设计有一定的参考意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 后处理系统振动分析研究

1．2．2 结构强度、疲劳寿命分析研究

1．3 主要研究内容

第二章 后处理系统安装位置优化分析

2．1 后处理系统有限元模型建立

2．2 后处理系统模态分析

2．2．1 实际失效原因分析

2．2．2 自由模态固有频率及振型

2．3 后处理系统优化点设计

2．3．1 优化点选择的理论依据

2．3．2 权重确定方法

2．3．3 位置优化选择

2．3．4 全约束模态计算

2．3．5 优化方案静力学验证

2．4 本章小结

第三章 流固耦合温度场计算

3．1 流动传热基本理论

3．1．1 基本守恒方程

3．1．2 湍流模型

3．2 后处理系统内、外流场分析

3．2．1 内、外流场有限元模型建立

3．2．2 边界条件建立

3．2．3 仿真结果分析

3．3 温度场热应力分析

3．3．1 有限元模型建立

3．3．2 仿真结果分析

3．4 基于温度场的结构模态及振型

3．5 本章小结

第四章 道路谱数据采集与分析

4．1 道路谱采集及数据处理方法

4．2 道路谱试验准备

4．2．2 测点选择

4．3 试验流程及说明

4．4 数据处理与分析

4．4．1 数据预处理

4．4．2 有效性检验

4．5 本章小结

第五章 热负荷机械负荷耦合分析

5．1 耦合计算有限元表达式

5．2 热机负荷耦合计算

5．2．1 位移变形分析

5．2．2 应力分布分析

5．3 后处理系统疲劳计算

5．3．1 疲劳分析概述

5．3．2 计算结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结及结论

6．2 存在问题及发展方向

参考文献

致谢