热-机载荷下汽油机排气歧管疲劳及优化设计研究

摘要

疲劳破坏普遍存在于机械、航空、铁路、汽车等各个领域。据不完全统计：约50％～90%的机械结构破坏属于疲劳破坏。疲劳损伤普遍存在于汽车工作的整个寿命周期中，同时是汽车零部件中危害性最高的失效形式。排气歧管直接与高温废气接触，并要承受发动机振动所产生的振动载荷，工作环境非常恶劣。为了准确研究模拟排气歧管的振动特性及疲劳寿命，对一款汽油机排气歧管进行了热机耦合下的振动疲劳寿命分析，并依据寿命分析结果对排气歧管进行了结构优化。本文主要研究工作如下：
　　基于双向流固耦合的计算方法，迭代计算得到排气歧管准确的内外流场流动特性及温度场分布情况，并根据整车热平衡实验验证了排气歧管温度场仿真结果的准确性。基于温度场有限元分析的结果，对排气歧管进行了热应力仿真分析，根据热应力大小及分布情况对其静态强度进行了评估，并为后续热机耦合分析提供了热边界条件。
　　通过约束模态实验验证了建立的排气歧管结构分析模型的准确性，并基于该模型及热负荷边界条件建立热机耦合下的频率响应分析模型。分别以温度分布及热应力分布为变量，进行频率响应分析，研究了应力刚化效果及温度升高引起的材料力学性能退化效果对排气歧管结构刚度分布及振动特性的影响。
　　在疲劳寿命分析中对排气歧管疲劳寿命可靠性进行了评估，并对比研究了热机耦合作用在排气歧管振动疲劳分析中的影响作用及大小，通过热机耦合下的疲劳寿命结果确定了排气歧管优化设计的主要目标及优化对象。
　　以提高排气歧管疲劳寿命为总目标，提高危险频率段内的1、2、3、6阶固有频率为子目标，通过加权指数法建立多目标优化函数，对支架进行了拓扑优化与多目标形貌优化确定了排气歧管支架的优化设计方案。
　　根据拓扑优化及形貌优化结果确定排气歧管支架的最终设计方案，与原始设计方案相比，优化后的设计方案实现了振动疲劳寿命的提高、振动特性的优化，该优化方法可以在排气歧管优化及设计过程中提供一定的参考与指导。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 选题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 排气歧管温度场及热应力分析

2.1 基本理论及计算流程

2.2 排气歧管流场及温度场分析

2.3 排气歧管温度及热应力分析及验证

2.4 本章小结

第三章 排气歧管振动特性分析

3.1 基本理论

3.2 排气歧管模型建立及模态分析

3.3 热机耦合下排气歧管振动特性分析

3.4本章小结

第四章 排气歧管疲劳寿命分析

4.1 基本理论

4.2 激励信号的测取与处理

4.3 排气歧管机械应力分析及危险点确定

4.4 排气歧管劳寿命分析

4.5 本章小结

第五章 排气歧管结构优化设计

5.1 基础理论

5.2 排气歧管结构优化

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 后续工作及展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢