柴油机排气系统振动与消声器的热应力分析-毕业设计.doc

学 号 11034121 密 级 _ 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 柴油机排气系统振动与消声器的热应 力分析 院（系）名 称： 动力与能源工程学院 专 业 名 称： 轮机工程 学 生 姓 名： 王振 指 导 教 师： 季振林 教授 2015 年 6 月 柴油机排气消声器振动与热应力分析 王振 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 柴油机排气消声器振动与热应力分析 院 （系）： 动力与能源工程学院 专 业： 轮机工程 学 号： 11034121 学 生 姓 名： 王振 指 导 教 师： 季振林 教授 2015 年 6 月 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 0 摘 要 柴油机作为一种主要的动力装置被广泛用于船舶动力系统中，排气消声 器是柴油机的重要组成部分，一反面因为柴油机会将自身的振动传到消声器 中，为此要在对柴油机排气消声器做振动分析防止发生共振，另一方面由于 柴油机废气具有较高的温度，所以排气消声器的热应力分析显得尤为重要。 本文使用 Pro/E 软件建立柴油机排气消声器的三维模型，然后运用 HyperMesh 软件划分系统网格，再把模型导入 ANSYS 中对结构进行仿真计 算，得到该排气消声器的模态、温度场的特征，在此基础上，采用谐响应模 拟分析柴油机激振力并对排气系统进行振动分析，同时利用温度场特征对排 气系统进行热应力分析。最后利用模拟结果对消声器提出改进方案。 本文的研究可以在消声器设计中发现事故隐患，延长消声器的使用寿命 减少和避免经济损失，提高安全性。对消声器的优化设计有一定的参考价值。 关键词：柴油机排气消声器；振动分析；热应力分析；结构优化；有限元法 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 1 ABSTRACT Diesel as a major power plant is widely used in ship power system, the exhaust muffler is an important part of the diesel engine, on the one hand, due to the diesel engine will own vibration transmitted muffler, for want of diesel exhaust Muffler made to prevent resonance vibration analysis, on the other hand, due to the diesel exhaust has a high temperature, the thermal stress analysis of exhaust muffler is very important. In this paper, the software CATIA is employed to build the 3-D model of diesel engine exhaust muffler system, then the software HyperMesh is used to create the mesh, then put the model into ANSYS for the simulation and analysis of the exhaust system, After the calculations the inherent parameters and the modal characteristics of the exhaust system could be acquired . Based on the simulation analysis using harmonic excitation force diesel engine exhaust systems and vibration analysis, while taking advantage of the temperature field characteristics of the exhaust system, thermal stress analysis. Finally, the simulation results of the muffler make improvements. This study can be found in accidents muffler design, extending the life of the muffler to reduce and avoid economic losses and improve security. Optimal design of the muffler has some reference value. Keywords: Diesel exhaust muffler;Vibration analysis; thermal stress analysis; structural optimization; finite element method. 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 2 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题的目的和意义.1 1.2 排气系统振动产生的机理.1 1.3 本文主要工作内容.5 第 2 章 排气系统振动分析的有限元法.7 2.1 有限元法的发展概况.7 2.2 结构振动分析中的有限元法.7 2.2.1 有限元方程8 2.2.2 固有频率和模态9 2.2.3 模态分析10 2.3 相关软件介绍.11 2.4 本章小结.12 第 3 章 排气系统的模态分析.13 3.1 排气系统模型的建立.13 3.2 排气系统网格的划分.15 3.2.1 金属波纹管网格划分及参数选择16 3.2.2 工字钢支架系统和前支撑网格划分及参数选择16 3.2.3 法兰结构网格划分及参数选择17 3.2.4 排气系统内部网格划分及参数选择18 3.2.5 其它结构网格划分及参数选择18 3.3 系统约束参数.20 3.4 排气系统的模态分析后处理.20 3.5 系统应力.24 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 3.6 本章小结.24 第 4 章 消声器的热应力分析.26 4.1 消声器的工作环境26 4.2 ANASYS 热分析简介.26 4.3 热弹性应力问题的有限元分析.35 4.4 消声器的应应力分析.47 4.5 本章小结.52 结 论.53 参考文献.54 致 谢.56 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 0 第1章 绪论 1.1 课题的背景和意义 在科技迅猛发展的当今世界，柴油机作为动力装置越来越受到大型工业 的青睐，因而产生的柴油机产业越发丰富地分布于各个行业。而随着技术的 越来越完善，柴油机在体积上和平顺性都有很大的改善，高强度的铝制缸体 制造工艺，减轻了柴油机的重量；燃油高压共轨喷射以及较低压缩比（相对 于传统柴油机）有效的抑制了噪声的产生；平衡轴的应用提升了系统的平顺 性，这些都促使柴油机在大型工业市场的占有率提高。但是柴油机也有它明 显弊端，由于柴油在高温高压的气缸中，多处同时燃烧形成火焰，以爆燃的 方式工作，工作形式剧烈，引起了整个系统的振动。特别是在工业基地中使 用的大型柴油机，因为大体积和大功率的输出产生生更加剧烈的振动，而这 些振动若是处理不当就会直接影响与其连接的排气系统及其他相关设备，致 使零件疲劳破损，使用寿命大大减低，一旦与相关零件和设备产生共振，其 危害会更加的严重。热应力产生的主要原因是受热或具有较大的温差，在工 程实际中，物体由于受到外部或内部的约束而不能自由胀缩（外部约束限制 物体的变形）组成物体的各部件之间或某一部件内不同部位之间有温差或物 体有线膨胀系数不同的材料组成，物体将产生应力其原因在于热胀冷缩受到 约束，船用大型柴油机消声器也有类似的问题。由于消声器内外壳温度的不 同，导致局部膨胀和收缩不一，从而产生热应力。内部通过高温废气，内壳 温度为 410 度，内外壳之间填充岩棉吸音材料，岩棉不仅是吸声材料，其导 热系数小，隔热效果好。因此外壳温度可降到 80 度。消声器在高温恶劣的 工作环境下工作，要求其热应力在其允许范围内，具有良好的抗疲劳性能， 为此要求对热应力进行计算分析，热应力会引起消声器的变形、应力集中、 断裂等问题。所以对消声器热应力的研究也非常重要，有实际应用的价值。 消声器的结构比较复杂，直接运用试验检验其可靠性有着难度大、周期长、 费用高的不利因素，而随着有限元理论的发展、完善、成熟，计算机运算能 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 1 力的日益提高，三维仿真数值模拟得到越来越广泛的应用，数值模拟的优势 也得到淋漓尽致的体现。本课题应用 ANSYS 有限元分析软件，对柴油机排 气消声器的振动和热应力进行模拟，依据模拟结果和应力分析结果，对消声 器的可靠性给出结论并对设计不合理的地方提出合理的改进意见。 1.2 排气系统振动产生的机理 排气系统振动是由柴油机内部振动，经过柴油机主体和排气管传到排气 系统中引起的。而柴油机内部振动是由于柴油机内部激振力造成，这主要包 括：汽缸内气体压力产生并作用在曲柄销上的交变切向力与径向力，活塞、 连杆、曲柄等运动部件运动时产生的惯性力等。而对于大型低速柴油机，其 运动部件重量很大，更会形成不可忽略的一次和二次简谐激振力甚至更高， 这些谐频成分和基频耦合在一起，会引起更加复杂的振动形式，从而造成排 气系统更为复杂的振动。 由于柴油机工作过程间歇做功的特点，汽缸内的气体压力在一个循环内 变化强烈。气体压力作用在活塞上并通过连杆作用在曲柄销上，该连杆推力 可分解为垂直曲柄的切向力和与曲柄方向一致的径向力。两分力都随着曲轴 做周期运动进而形成交变的激振力，引起系统振动。 此外，往复惯性力产生的激振力也会造成系统很大的振动。 根据柴油机动力学的知识，活塞-曲柄-连杆结构可以简化为如图 1.1 所 示的动力学基本模型。其质量分为两部分：（1）由活塞组件、活塞杆、十 字头、滑块和连杆小端组成，并集中在活塞 A 点的往复运动质量 m1；（2）由曲柄销曲柄臂的不平衡部分和连杆大端组成，集中在曲柄销 B 点的回转运动质量 m2 由柴油机自由端看坐标轴和曲柄转角以图示为正。 图中：R曲柄半径（m） L连杆长度（m） n柴油机转速(rmin)； 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 2 t从上止点起的时间(s)； 连杆摆角(rad)。 从上止点起的曲柄转角 曲柄旋转角速度 为曲柄连杆比LR S=2R X 下死点 上死点 R L R O A 图 1.1 曲柄连杆机构 设活塞位移的近似公式为：x 2cos1 4 1 cos1 2 LRx ttR 2cos 4 cos) 4 1 1 ( （1.1） 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 活塞速度与加速度的近似公式分别为 ttRx 2sin 2 sin （1.2） ttRx2coscos 2 （1.3） 往复惯性力为 j p （1.4ttR g G p j j 2coscos 2 ） 式中 ： 为往复运动部件总重量，包括活塞杆、活塞组件、十字头和连 j G 杆小端等重量，为重力加速度。g 由上式可知，往复惯性力主要由两个简谐分量组成：一个为简谐分量的 幅值为，其频率等于曲轴角速度，称为一次惯性力，另一个为 2 RgGj 简谐分量的幅值为，其频率等于两倍的曲轴角速度即 2，称 2 RgGj 为二次简谐惯性力。很明显，二次惯性力比一次惯性力小得多。 我们将往复惯性力 用单位活塞面积上的力表示，即 j P j p （1.5)( 4 2 2 mmNP D p jj ） 式中：为活塞直径（mm）。由此可得单位活塞面积上惯性力产生的作用D 在曲柄销上的切向力 和径向力 分别为 j T j N cos sin sin j cjj p pT （1.6） cos sin cos j cji p pN 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 4 （1.7） 式中连杆推力的分力为。 cj p j p 由公式（1.5）、（1.6）和（1.7）变换可得： ttR Dg G T j j 2sin 2 1 sin 4 ( 4 2 2 （1.8）)5sin 32 5 4sin 4 3sin 4 3 2 2 ttt tR Dg G N j i cos 4 1 42 1 ( 4 2 2 2 （1.9）)4cos 4 3cos 4 3 2cos 2 1 2 ttt 可以看到，往复惯性力产生的切向激振力主要是由五个简谐分量组成， 其角频率分别是曲轴角速度的一倍至五倍。它产生的径向激振力主要由一个 直流分量和四个简谐分量组成，各简谐分量的角频率也分别是曲轴角速度的 一倍至四倍。而柴油机实际振动就是基频和各谐频成分组成复杂振动形式， 本文只分析一倍至四倍的基频。模态分析是消声器频路分析的关键消声器的 模态必须柴油机激振频率分开，否则系统的频率耦合在一起会产生强烈的共 振。在进行消声器的模态分析时通常要对以下几个指标进行设定：第一阶横 向弯曲模态，第一阶垂向弯曲模态，第一阶扭转模态等。 1.3 本文主要工作内容 由于排气系统结构复杂很难用经典力学的方法分析其振动特性，这样有限元 方法就成为分析这种问题的主要方法。为充分学习了解排气系统的振动特性 和热应力特性，本文将采用有限元法分析柴油机排气消声器的振动特性和热 应力特性，本文主要工作内容如下： 1、建立柴油机排气系统的三维几何模型 分析模型，消声器模型为壳结构，最外层为碳钢材料的薄壳，内层为穿 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 5 孔板，孔径为 10mm，每周为 36 个，纵向间距为 50mm，厚度为 2mm。因 为小孔处容易产生应力集中，因此建模小孔不可忽略，但由于网格数目太多会 导致计算困难，因此按照图纸示意情况建造小孔模型。将外壳椭圆风投，内 部复杂结构以及支撑板，进出口弯管全部按照图纸还原，尽量保证模型误差 达到较小。两层之间为吸声材料岩棉。对于计算影响较小的吸声棉进行了一 定的简化处理，但完整的保留了内部的支撑结构。从结构上看，模型略显复 杂，本文引入工程设计软件 Pro/E 来完成该系统的建模，同时根据实际模型 情况，利用壳单元建立了排气系统结构，由于消声器壳特别薄在建立模型时 不予建立厚度，这样简化了网格的划分，在 ANSYS 中用壳单元赋予材料厚。 2、划分排气系统网格 因为模型复杂，利用 ANSYS 软件本身绘制网格的工具无法建立良好的 网格，这会给后期计算带来很大麻烦。所以本文采用专业的生成网格软件 HyperMesh。将 Pro/E 建立好的模型导入 HyperMesh 采用二维到三维的绘制 思路，由点到线到面，最后结成体得到所需网格。网格尺寸取 20mm, 小孔 处进行网格加密处理。即可达到要求的计算精度，结构计算时，网格尺寸不 易过大，否则影响计算精度，但是由于计算机限制，选取 20mm 整体尺寸， 加密处 5mm 网格尺寸，网格要求分组便于在 ANSYS 里进行热应力分析时 约束、温度载荷和法向压应力载荷的施加。在进出口和内外壳交接的地方的 节点融合需要手动调节。网格划分完成后需要局部对网格质量的多次检查， 网格节点是否融合以及检查网格重复性。在支架和外壳这类交界处，网格形 状过于尖锐会导致热应力仿真值的偏大，因此应手动调节尖锐过渡处的网格 形状。为了在内部结构里加载法向压应力，在 Hypermesh 里应检查网格法 向方向，法向方向错误的网格要进行方向的逆转。全消声器划分三角形 2D 网格。振动分析采用 SHELL63 壳单元模拟消声器壳体结构，热分析时采用 SHELL57 单元。在 HM 里定义好材料力学属性和实常数。用实常数定义厚 度。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 6 3、消声器模态分析 模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构特性包括固有频率和振 型是其他动力学分析的基础，如相响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析 等都需要在模态分析的基础上进行。模态分析帮助确定固有频率和振型，从 而使结构避免共振，并指导预测在不同载荷作用下结构的振动形式。将划分 好的网格导入到 ANSYS 软件中，结合边界条件计算消声器的固有频率并画 出模态振型图，根据模态图的振动形式分布谐响应测点，最后分析系统的应 力状况。 4、消声器热应力分析 将划分好网格的模型导入到 ANSYS 软件中，定义单位制，然后定义单 元类型，ANSYS15.0 软件中提供了近 300 种单元类型，每一种都有自己的 特定编号和单元名名，本消声器采用 SHELL63 壳单元模拟消声器壳体结构， 用实常数定义厚度，之后定义材料属性（外壳材料为碳钢 Q235，穿孔板为 304 不锈钢查出材料的弹性模量、泊松比、比热、热导率和质量密度。）热 应力分析有两种放式：简洁耦合方法和直接耦合方法，本文采用间接耦合的 方法，先根据传热控制方程模拟出消声器的温度场，再把温度场分析的结果 加载到应力场中。间接耦合比直接耦合要方便一些因为单场分析使用单场单 元，计算迭代次数低。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 7 第2章 排气系统振动分析的有限元法 排气消声器是柴油机排气系统中必不可少的组成部分起着降低噪声排除 尾气的作用，由于柴油机的振动和尾气较高的温度所以它工作环境恶劣，其 振动特性分析与热应力分析是柴油机动力系统安全设计一项主要内容，本文 采用有限元法分析了排气消声器在柴油机激振力作用下的振动情况和在尾气 温度作用下消声器的热应力特性，本章介绍有限元法的理论基础，并对用到 的相关软件做简单的介绍。 2.1 有限元法简介 有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法。科学计算领域，常常需 要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元 法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在 早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程 和泊松方程所描述的各类物理场中。自从 1969 年以来，某些学者在流体力 学中应用加权余数法中的迦辽金法或最小二乘法等同样获得了有限元方程， 因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求 这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想：由解给定的泊松方程化 为求解泛函的极值问题。有限元法是在变分法及加权余量法的基础上，采用 分块逼近的思想而形成的系统化的数值计算方法。其基本原理是：将求解区 域离散化，分成相互连结而又不重叠的单元，在单元中选择基函数值求解。 对复杂的问题，利用有限元法进行数值计算时，要处理的数据过于庞大，必 须借助计算机， 有限元法分析问题的一般步骤： （1）结构的离散化 将连续体离散成为单元组合体； （2）选择位移模式 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 8 即假定单元中位移分布是坐标的某种函数，位移模式一般选为多项式的 函数； （3）单元力学特性分析 利用弹性力学的平衡方程、几何方程、物理方程和虚功原理得到单元节 点力和节点位移之间的力学关系，即建立单元刚度矩阵； （4）计算等效节点力 根据虚功相等原则，用等效节点力来代替所有作用于单元边界或单元内 部的载荷； （5）建立整个结构的所有节点载荷与节点位移之间的关系（整体结构 平衡方程），即建立结构的的总体刚度矩阵； （6）边界条件 排除结构发生整体刚性位移的可能性。 （7）求解线性方程组 方程组有唯一解，即得到结构中各节点的位移，单元内部位移通过插值 得到。 （8）后处理与计算结果评价 从有限元的基本方法派生出来的方法很多，则称为三维单元。如有限条 法、边界元法、杂交元法、非协调元法和拟协调元法等，用以解决特殊的问 题。 2.2 结构振动分析中的有限元法 当结构受到的载荷均匀时，系统会处于平衡，结构是相对静止不动的， 其内部各点的位移也不随时间变化，但实际结构总是受到随时间变化的载荷 作用，其内部各点的位移和应力将是时间和位移两个参数的函数。当结构受 到明显载荷作用时，结构的响应也很显著，有的结构受到的动载荷并不显著， 但当作用力的频率与结构的某一固有频率相接近时，结构的振动也很显著， 这时必须进行动力学分析。在复杂结构的动力学分析方面，有限元法是一个 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 9 很有效的工具。结构振动的分析涉及模态分析、瞬态响应分析、谐响应分析、 波谱分析等。其中模态分析是其他振动分析的基础。 2.2.1 有限元方程 对于动态结构，外力和位移都是时间t的函数，这时结构中每个质点都 有惯性力。此外，结构一般都受到阻尼的作用，结构中的质点会受到阻尼力 的作用，根据达朗培尔原理，只需在外力中计及惯性力和阻尼力，便可像推 导静力平衡方程一样建立动力学方程8。 设单元 的质量密度为，位移模式为，则单元内部各ef eN 点的速度为： f eN （2.1） 加速度为： f eN （2.2） 那么单元中的分布惯性力便为：。 f e a pN 记为单元质量矩阵；为单元阻尼矩阵；为单元刚度矩阵，等效结点 m c k 力向量为，则振动方程可以表示成： e R ee ee mckR 按有限元法的集合过程，将各单元集合后，得到结构的有限元动力平衡方程 为： MCKR （2.3） 式中，为质量矩阵 Mm 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 10 为阻尼矩阵 Cc 为刚度矩阵 Kk 为载荷向量，是时间的已知函数 e RR 为位移向量是时间t的函数 e 为速度向量 为加速度向量16 2.2.2 固有频率和模态 当分析不承受载荷的结构时，如果分析不考虑阻尼，则平衡方程式 （2.3）式变为： 0MK （2.4） 此即为无阻尼自由振动方程式，它是常系数线性齐次常微分方程组，其解的 形式为： sint （2.5） 式中，为振型矩阵或特征向量，为固有频率（Hz），为初相位 （rad）。 由公式（2.4）和（2.5）式后得到： 2 0KM （2.6） 上式是齐次线性代数方程组，若要有非零解则必须有系数行列式等于零，亦 即： 2 det0KM 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 11 （2.7） 它是的n次（矩阵阶数为n）实系数方程，称为常系数线性齐次常微分方 2 程组（2.4）的特征方程。式中的刚度矩阵是对称的，当约束足以消除刚 K 体位移时它是正定的，否则是半正定的。是质量矩阵，采用一致质量公 M 式时是正定的，由式（2.7）中可求出对应的非零向量，称为特征 M k 向量8。 振型矩阵就是由几个特征向量组成的矩阵： 12n 由于特征向量具有正交性，即： 0 1 T ijij M ij ij 2 2 0 T ijiij i K ij ij 振型矩阵间具有如下的性质： T MI 2T K 式中，为单位矩阵，为特征值组成的对角阵， I 2 2 222 12 , n diag 由此可见结构的质量阵和刚度阵经过模态变换后就是对角矩阵 M K 了16。 2.2.3 模态分析 模态分析就是求解自由振动方程（2.4）所确定的结构的固有频率和与 之对应的模态，求解和又可归结为求解广义特征问题： i i i KM （2.8） 由于结构分析中的最低m阶固有振型对应的模态对结构的贡献最大，因 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 12 此对于上述问题的求解，有限元法计算比较关心的是最小m个特征值 和对应的特征向量的计算。常用的解法有四类： 12 , n 12 , n 变换法、迭代法、子空间迭代法和多项式迭代法，而每一类都发展了一些求 解方法16。 2.3 相关软件介绍 本文将有限元法作为分析问题的基本方法，基本步骤为：采用 Pro/E 软 件讲系统的三维模型建立好，然后将模型做适当的修改之后导入软件 HyperMesh 中对模型的面和体进行三维网格划分，随后将划分好网格的模型 转成数据导入 ANSYS 软件做模态及谐响应分析。 1Pro/E 全名 Pro/Engineer 是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。软件以参数化著称，是参数化技术的 最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E 作为当 今世界机械领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征 的相关性问题。另外，它采用模块化处理问题方式，选择自身的需要进行选 择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过 程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以 应用到单机上。本文使用 Pro/E 建立了外壳、穿孔板等完整柴油机消声器系 统的三维模型。 2HyperMesh 软件是一个功能强大的 CAE 应用软件包，最著名的特点 是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能，在处理几何模型和有限元 网格的效率和质量方面，HyperMesh 具有很好的速度，适应性和可定制性， 并且模型规模没有软件限制，能够与有限元求解器和众多 CAD 系统方便的 进行数据交换，并进行有限元前后工作处理的有效工具，对于提高有限元分 析工作的效率和质量具有良好的效果4。HyperMesh 是一个高性能的有限元 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 13 前后处理器，本文使用 HyperMesh 划分柴油机排气消声器网格图。 3ANSYS10程序是一个灵活的功能强大的设计分析及优化软件包，也 是唯一一个多物理场分析工具，可以用来求解结构、电力、流体、电磁场及 碰撞等问题，该软件可在大多数计算机系统中运行，从PC机到工作站直到 巨型计算机都可以使用，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均 兼容，随着ANSYS程序版本的不断改进，它为用户提供了不断创新的功能， 具体包括：结构高度非线性分析、压电分析、热分析、.电磁场分析，流体 动力学分析、多物理场耦合分析、设计优化、接触分析等，可应用在以下领 域：建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业、冶 金等方面利用ANSYS参数设计语言APDL的扩展宏命令功能等。ANSYS程 序还提供了先进的数据接口功能，能被Pro/E，UG，AutoCAD等软件连接和 访问，ANSYS友好的用户界面及程序构架，使用方便。ANSYS的完全交互 式图形，能迅速地完成ANSYS几何图形及计算结果的显示。软件主要包括 三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理。模块软件主要包括三个部 分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。本文使用ANSYS分析柴油 机排气系统的固有频率和模态特性，并利用谐响应分析了排气消声器的振动 特点，应力特性，和热应力特性，最后得出分析结论提出改进措施。 2.4ANSYS 分析问题的一般流程 本节进一步具体介绍应用 ANSYS 对消声器进行规划、求解、处理的一 般流程，如图 2.3 1.问题的规划 在分析的开始前，必须明确分析的目的，了解要解决的问题，在头脑中 对要分析的问题有个总体的规划。根据已有的软硬件条件、要求的解算精度 建立模型并对对计算影响不大的问题进行简化，以达到既不影响计算要求， 有简单快速经济，选择合适的建模工具，合适的单元类型、解算方法，这样 才能抓住分析的重点，做到保证结果的误差在允许范围内尽量精确， 还能 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 14 够节约资源和提高运算效率。 2.前处理 根据规划内容，进行前处理。这一部分内容主要包括在设置 Preferences 选项、指定分析选用的单元类型本分析采用 SHELL63 壳单元模拟消声器壳 体结构，并定义相应的实常数，实常数为厚度，定义材料模型本文中主要为 碳钢 Q235 设置材料属性，创建几何实体模型（消声器模型在 Pro/E 中建立） ，网格划分（网格划分在 HyperMesh 中完成），定义 PART、接触信息、边 界条件和载荷等。这些内容主要在 ANSYS 中进行。 3.加载求解 在不同的学科中载荷的定义不同本文结构分析中有：力、位移、压力、 重力、热应力分析中有温度、热流速率、对流、内部生成热等。ANSYS 中 载荷分为六类： DOF（自由度）约束、表面载荷、力（集中载荷）、体积 载 荷、惯性力以及耦合场载荷。指定分析时间；在所有静态和瞬态分析中， ANSYS 使用时间做为跟踪参数，而不论分析是否依赖于时间其好处是：无 论什么情况都可以使用“计数器”或“跟踪器”作为一个不变的参数， 与 具体的分析的术语没关系。确定输出解算结果的步数，载荷步选项包括非线 性选项和普通选项，然后进行质量缩放，定义子循环，进行能量控制等（并 不是所有问题都需要设置上述选项），形成关键字文件，递交给 LS-DYNA 程序求解。 4.分析结果的后处理 后处理是用图形、数据的方式显示有限元计算的结果，以供用户进行 判断、分析，从而检查有限元模型的合理性。这是有限元结构分析的重要环 节 后处理可以使用 ANSYS 的通用后处理器 POST1 观察应力应变状态，时间 历程后处理器 POST26 绘制时间历程曲线，也可以使用 ANASYS 专用后处 理器进行应力、应变、时间历程曲线的绘制。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 15 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 16 2.4 本章小结 本章介绍了在求解固有频率、模态和振动问题的有限元法的基本理论基 本理论公式，对本文计算将要使用到的建模软件 Pro/E、网格划分软件 HyperMesh 和有限元分析软件 ANSYS 的功能特点做了简要介绍。这些内容 为本文后续的计算奠定基础。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 17 第3章 排气系统的振动分析 本文研究排气系统受到柴油机周期变化激振力作用时，排气消声器本身 的振动情况，重点优化、最大限度地减排气消声器的振动。故首先要明确系 统的固有特性，以此为基础做深入的分析。 3.1 排气系统模型的建立 消声器主要由以下几部分构成：外壳，内腔，吸声材料，进气管道， 排气管道，内腔与外壳的连接片和法兰等结构组成。 由于排气消声器主体长度远远大于材料厚度（长度大约在 2 米厚度为 4 毫米），这里对系统主体和进气管采用“壳”来建立系统三维模型。 本消声器模型 Pro/E 采用建立，基本的建模过程分成如下几步： 1、先根据设计要求在纸上画平面的二维图纸标出各部件尺寸、连接方 式 所用材料等 ； 2、利用的 Pro/E 草绘功能，对系统主体外壳建模，利用旋转功能将系 统壁旋转成壳体； 3、利用草绘圆拉伸为壳体，做出进气筒管道入口； 4、利用草绘画圆标注半径拉伸成内部支撑吸声结构的圆筒； 5、新建零件，利用草绘建立插入主体排气系统结构的弯曲出气管和直 进气管； 6、新建零件，插入曲线得到内部吸声结构结构曲线轮廓，旋转得到实 体壳结构； 7、最后通过新建组件分别插入，通过装配连接各个零件。 8、最后得到装配成结构如图 3.1 所示的消声器模型，内部结构如图 3.2. 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 18 注：在保证求解精度的同时为了减少计算量，消声器结构需要进行合理 简化。由于吸声材料为岩棉它的的密度为100kg/m3，弹性模量相对于钢结构 来说几乎为零，因此，吸声材料岩棉对排气消声器振动分析的影响较小，在 建立消声器的几何模型时将这部分结构做省略处理。 图 3.1 排气系统三维结构图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 19 图 3.2 消声器内部结构图 3.2 消声器网格的划分 3.2.1 几何清理 将在 Pro/E 中建立好的消声器模型保存副本为 igs 格式，然后导入到 HyperMesh 中，先进行进行几何清理。这是得到高质量网格关键的一步，通 常也是花费时间最多的一步。常用的几何清理途径有两条：（1）在三维实 体造型软件中对模型进行预先的清理；（2）在 HyperMesh 中利用 Geometry 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 20 Cleanup、Defeatuire 和 2D Mesh 等菜单中的选项进行几何清理，去掉不必要 的圆孔、处理圆角、粘合重复的自由边等。除清理之外还要检查整体结构的 连接情况，连接处容易产生自由边必须对红色的自由边进行处理，方法为对 与边连接的面进行切割得到共享边然后粘合，方便划分网格。本消声器几何 清理的注意事项： 1 使用 find duplicates 工具检查重复曲面并删除。使用 filler surface 工具 创建缺失曲面。 2、消声器壳体与穿孔管的连接会出现自由边对自由边进行切割合并 3、内部肋片的连接会有自由边注意用面编辑将与自由边连接的面割开 并使用 toggle 工具粘合自由边。 4、法兰连接的结构要特别注意划分体网格前观察各个边的连接情况， 注意节点连接情况。 5、对于清理过程中产生的多余的线要进行压线处理。 清理前和清理后的对比如图 3.3 图 3.4 及图 3.5 所示： 图 3.3 清理前图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 21 图 3.4 清理后整体图 图 3.5 清理后内部图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 22 3.2.2 消声器内部网格划分及参数的选择 消声器内部支撑结构它的厚度相对于长度来说可以忽略不计，所以模型 网格采用面网格划分，结构采用 SHELL63 单元，由于连接复杂而三角形网 格适应性强所以采用三角形网格，实常数 4mm，内部共有六个肋板连接排 气系统内外面。该结构共有 4845 个网格，总长 1150mm 直径 550mm。肋板 也采用面模型，三角形网格。网格如图 3.6 所示。 图 3.6 消声器划分网格 3.3 单元的划分和单元属性的设置 在有利用 ANASYS 进行限元分析中，单元类型的划分对计算结果的好 坏有着非常大的影响。单元划分质量的优劣直接关系到数值模拟的工作量的 多少，计算精度的高低，甚至是结果的准确性。因此，仔细准确的分析模型 的结构特征，在保证准确的基础上提高效率，是网格划分关注的重点。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 23 3.3.1 单元类型的选择 本课题所研究的排气消声器模型是壳体结构，排气消声器的链接结构是 薄板结构。结合ANSYS提供的单元类型，决定采用SHELL63单元。 SHELL63单元是一个4节点显式结构薄壳单元如图3.6，有弯曲和膜特征，可 加平面和法向载荷。单元在每个节点上有12个自由度：节点在x，y，z方向 的位移、速度、加速度和绕x，y，z轴的转动。注意，此处的自由度不同于 物理意义的自由度，这里只是表示描述节点状态的参数个数。关于 SHELL163的算法和其他单元的介绍，请参阅文献，此处不做详细介绍 3.3.2 材料类型的选择 采用合理的材料模型是振动分析能取得成功的重要部分。ANASYS 程 序提供了 150 多种各类金属非金属材料模型，可用来模拟各类实际材料，如 超弹性材料、各类弹性材料、弹塑性材料、泡沫材料等，相关的材料模型在 分析中可计及材料的失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关 等各种性质。此外，程序还支持用户自定义材料的功能。本文消声器的材料 为碳钢 Q235，和 304 不锈钢。Q235 是普通碳素结构钢普板，是一种钢材 的材质。Q 代表的是这种材质的屈服极限，后面的 235，就是指这种材质的 屈服值，在 235 左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于 含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最 广泛。304 不锈钢是不锈钢中常见的一种材质它广泛地用于制作要求良好综 合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀 性，钢必须含有 18%以上的铬,8%以上的镍含量。304 不锈钢是按照美国 ASTM 标准生产出来的不锈钢的一个牌号。作为一种用途广泛的钢，具有良 好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无 热处理硬化现象（使用温度-196800）。在大气中耐腐蚀， 如果是工 业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。适合用于食品的加工、 储存和运输。 具有良好的加工性能和可焊性。 板式换热器、波纹管、家庭 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 24 用品（1、2 类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸），汽车配件 （风挡雨刷、消声器、模制品），医疗器具，建材，化学，食品工业，农业， 船舶部件等。304 不锈钢为国家认可的食品级不锈钢。表 3.1 列出了所采用 的两种材料的基本属性。 表 3.1 材料力学性能参数 名称弹性模量 (N/m2) 泊松比质量密度 (kg/m3) 热导率 (W/(m.k) 比热 (J/(kg.K) Q235 碳钢2.08e+110.2777.86e+3434.4e+2 304 不锈钢1.9e+110.298e+3165e+2 3.4 系统边界条件 依据设计要求，底面与底座连接固定，应该加上全约束。进出气管与排 材料线膨胀系数/ 60 10C 温度050100150200250300350400450500 Q23 5 碳 钢 10.7611.1 2 11.5 3 11.8 8 12.2 5 12.5 6 12.9 0 13.2 4 13.5 8 13.9 3 14.2 2 304 不锈 钢 16.2816.5 4 16.8 4 17.0 6 17.2 5 17.4 2 17.6 1 17.7 9 17.9 9 18.1 9 18.3 4 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 25 气管道连接是全约束。本文在 HyperMesh 里选择结构面上所有节点统一建 立节点组信息导入 ANSYS 分析软件中，确保在选择约束节点时出现遗漏。 3.5 排气系统的模态分析后处理 模态分析主要用于确定结构和机器部件的振动特性，同时也是其他动力 学分析的基础，是柴油机消声器振动分析的关键。因消声器通过连接管路与 发动机相连在一起，柴油机的振动通过管路传给消声器。因此柴油机消声器 的模态必须与发动机的激振频率分开，否则如果耦合到一起会产生强烈的共 振。导致消声器出现破损，表面断裂等。在柴油机消声器模态分析时，通常 要对下面几个指标设定目标：第一阶扭转模态和模态密度、第一阶垂向弯曲 模态、第一阶横向弯曲模态。16。 第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态是排气系统中最容易被发动 机激励起的模态。因此这两个模态的频率目标是：与发动机的激励频率避开。 本文所用的柴油机为 18 缸四冲程柴油机，它的工作转速为 1500r/min， 柴油机脉动主频率计算公式为： 30 x in f （3.1） 式中：i 为气缸数，N 为发动机曲轴转速（r/min），为发动机冲程数。 计算得到，脉动基频率，二到四次谐频分别为Hzfx225 450Hz、675Hz、900Hz。选取模态时，要在 200900Hz 频率范围内选择。 但是由于消声器的模型比较复杂，每阶对应的固有频率差值不是很大。若直 接列出该范围内的所有数据占用篇幅较多，本文利用曲线的形式列出求解阶 数和固有频率的特性，曲线提取系统 700 阶固有频率，利用 Microsoft Excel 工作表绘制出曲线图。如图 3.7 所示。分析该曲线可发现，计算到高阶时会 有计算误差，致使频率差值很小，固有频率较密集。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 26 图 3.7 排气系统固有频率曲线示意图 得到 200Hz 到 700 范围的固有频率后，结合柴油机的主要激振频率， 即 225Hz、450Hz、675Hz、900Hz，截取消声器内部与外部的模态振型如图 3.8图 3.15 所示。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 27 图 3.8 消声器内部在 225.5Hz 模态振型图 图 3.9 消声器外部在 225Hz 模态振型图 图 3.10 消声器内部在 450Hz 模态振型图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 28 图 3.11 消声器外部在 450Hz 模态振型图 图 3.12 消声器内部在 675Hz 模态阵型图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 29 图 3.13 消声器外部在 675Hz 模态阵型图 图 3.14 消声器内部在 900Hz 模态阵型图 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 30 图 3.15 消声器内部在 900Hz 模态阵型图 （1）225Hz 的频率，垂向和横向模态振动主要集中在排气系统主体上， 两种模态振动形式近乎均匀分布在排气系统上面。 （2）450Hz 的两个振型图也属于一个阶次，只是振动方向不同，本文 截取了 450.7Hz 振型图，该阶次振动基于 225Hz 主要振动部位后，更强烈 的振动集中分布在排气系统顶部弯管处。 （3）675Hz 时结构振动位移不同程度的加剧了，还有新的振动也延伸 到进气管、工字钢支架、还有金属波纹管上。 （4）900Hz 时系统整体振动位移相比 675Hz 的振动位移波峰值小很多， 但共振点更加密集的分布在整体系统上。 柴油机稳定工作的主要激振频率为 225Hz，故不能从一阶频率开始截取 振型图。从以上振型图可以看出，振动比较大的点集中分在排气系统顶端、 上部、下部、支撑的工字钢支架、金属波纹管，进气管中部、进气管端部。 这样，在分布谐响应测点时，要在以上结构部位选择，此外为全面得到系统 哈尔