基于仿生的汽车排气歧管温度场及振动特性分析

摘要

排气歧管是汽车发动机排气系统的重要组成部分，它的工作环境极其恶劣，需要长时间承受高温废气的热冲击和发动机的剧烈振动，在使用中经常出现法兰盘开裂，气道口变形等问题，严重影响排气系统的正常工作。因此，对排气歧管进行性能分析，具有非常重要的意义。
　　本文以一款2V排气歧管为研究对象，分析了其结构特点和性能并对其所承受的传热性能和振动特性进行有限元分析，寻找该类型排气歧管的薄弱环节或者失效位置，并采用仿生学设计理念对排气歧管进行优化设计。
　　在热场分析过程中，选用Solid90实体对排气歧管进行热单元划分。在明确歧管传热原理的基础上，采用第三类边界条件，通过ANSYS分析获得了排气歧管温度场分布云图，并以此为已知条件，计算歧管的热应力和热变形，确定歧管在使用过程中的热应力集中处，为该类型排气歧管的设计改进提供了依据。
　　在排气歧管振动分析过程中，介绍了模态分析的原理和模态的提取方法，采用Solid95单元对其进行网格划分，通过进行排气歧管的模态分析，获得各阶固有频率和振型等特性，并对歧管的动态特性进行了分析评估。通过对排气歧管的一阶固有模态与发动机的第一弯曲模态比较，确定了其共振频率。对歧管的各阶振型和振幅分析计算可知，歧管在出气道法兰处存在明显的变形，该处被认为是排气歧管的薄弱环节，为后续优化设计奠定了基础。
　　引入仿生学概念，将人体肺气管结构作为仿生对象，采用一种全新的歧管设计方案，以肺气管树分形结构的数学模型为基础重新建立2V排气歧管模型，并进行有限元温度场及振动特性分析。通过对不同壁厚仿生歧管模型的有限元分析，获得壁厚变化与歧管特性之间的规律。通过与原2V排气歧管比较，发现这种仿生学方法旱有可行性，所获得的结果为实际生产设计提供了理论基础。

目录

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1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 排气歧管设计方法

1.3 排气歧管性能试验方法

1.4 排气歧管失效问题的研究现状及趋势

1.5 本课题的主要研究内容

2 排气歧管有限元模型的建立

2.1 有限元方法简介

2.1.1 有限元方法

2.1.2 有限元方法发展趋势

2.1.3 ANSYS简介

2.2 实体模型的建立

2.3 排气歧管主要技术参数

2.3.1 排气歧管载荷与边界条件

2.3.2 排气歧管的材料属性

2.4 排气歧管有限元模型的建立

2.4.1 排气歧管实体模型的简化

2.4.2 单元类型选择

2.4.3 网格划分

2.5 本章小结

3 排气歧管温度场分析

3.1 传热学基础

3.1.1 热量传递的基本形式

3.1.2 传热问题的基本方程

3.1.3 稳态传热的有限元分析介绍

3.2 排气歧管内外壁温度分析

3.2.1 热传导基本理论概述

3.2.2 排气歧管稳态传热有限元分析

3.3 排气歧管的热应力分析

3.3.1 热应力问题的有限元方程

3.3.2 排气歧管热应力及热变形分析

3.4 本章小结

4 排气歧管振动特性分析

4.1 有限元模态分析原理

4.2 模态提取方法

4.3 排气歧管约束模态分析计算

4.3.1 模态分析步骤

4.3.2 模态分析结果

4.4 本章小结

5 基于仿生的排气歧管设计及分析

5.1 仿生学概论

5.1.1 仿生学概念的演变

5.1.2 仿生学原理

5.1.3 仿生学机械应用实例

5.1.4 仿生学研究步骤

5.2 排气歧管仿生学研究

5.2.1 排气歧管仿生学改进问题的提出

5.2.2 排气系统与人体呼吸系统的比较

5.3 排气歧管仿生学设计

5.3.1 排气歧管经验设计公式

5.3.2 排气歧管的仿生学建模

5.4 排气歧管仿生学分析

5.4.1 仿生歧管温度场分析

5.4.2 仿生歧管的约束模态分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与参与项目