崔高健，王均，李紹松，關晉松

(長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林長春 130012)

0 引言

汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管是位于汽車發(fā)動機排氣歧管與排氣系統(tǒng)之間的柔性金屬連接管，是排氣系統(tǒng)中良好的密封元件、連接元件及位移補償元件。汽車在行駛過程中，發(fā)動機自身運動和發(fā)動機本身產(chǎn)生的擺動，會使發(fā)動機相對于固定在車身上的排氣系統(tǒng)產(chǎn)生相對位移[1]，并將運動傳遞給排氣系統(tǒng)金屬波紋管。疲勞失效是汽車金屬波紋管的主要失效形式，可以通過實車或臺架試驗進行波紋管的疲勞壽命測試，但耗時周期長，且成本較高。隨著計算機及軟件快速發(fā)展，CAE分析已經(jīng)成為疲勞壽命分析的重要手段。文中通過金屬波紋管在一定位移載荷下的有限元分析，獲得金屬波紋管的應力分布及應力集中區(qū)域，結合正交試驗方法確定影響金屬波紋管力學性能的主要因素，為金屬波紋管的結構設計提供理論依據(jù)。

1 金屬波紋管有限元模型建立

金屬波紋管的主要結構參數(shù)有內徑、波高、波距、波數(shù)、波徑、壁厚等。對于某款具體車型而言，給定發(fā)動機排氣歧管管徑及排氣歧管到排氣系統(tǒng)的距離，可以確定金屬波紋管的內徑和波數(shù)。因此，文中將重點分析波紋管壁厚、波高、波徑、波距4個參數(shù)對波紋管疲勞壽命的敏感性關系[2]。

采用SolidWorks進行金屬波紋管參數(shù)化建模，利用HyperMesh進行網(wǎng)格劃分和材料屬性設定。MSC.Patran具有較強的非線性分析能力，在MSC.Patran中進行應力分析和結果后處理。分析流程如圖1所示，利用SolidWorks參數(shù)化建模后，將其STEP文件導入到HyperMesh中，對其進行網(wǎng)格劃分和材料屬性設定，并導出BDF文件，在MSC.Patran中對導入的模型設定邊界條件和位移載荷并對其進行分析[3]。

圖1 金屬波紋管應力分析流程

2 金屬波紋管有限元計算及結果分析

由于金屬波紋管一端與排氣系統(tǒng)連接，屬于固定端約束；另一端與發(fā)動機排氣歧管連接，承受著軸向和徑向位移，并伴隨著角度的轉動[4]。

合作企業(yè)利用波紋管路譜采集設備采集波紋管的道路載荷譜，并通過自主開發(fā)的分析軟件確定某車型波紋管的運動軌跡參數(shù)。以此為依據(jù)設定金屬波紋管運動端軸向最大位移為0.385 mm，徑向最大位移為4.543 mm，旋轉角度為2.169°，金屬波紋管材料屬性如表1所示。

表1 金屬波紋管材料屬性

金屬波紋管有限元模型建立后，應用MSC.Patran進行應力分析計算，得到金屬波紋管的應力分布，如圖2所示。

圖2 金屬波紋管應力云圖

由圖2可以看出，金屬波紋管應力較大部分主要出現(xiàn)在被拉伸一側，且應力最大位置位于金屬波紋管拉伸一側第三個波谷處，最大應力為164 MPa，此位置為波紋管最易發(fā)生疲勞損壞的區(qū)域。

3 波紋管結構參數(shù)與疲勞壽命的靈敏度分析

對于某車型金屬波紋管，影響其使用性能的結構參數(shù)主要有壁厚、波高、波徑、波距。對金屬波紋管結構參數(shù)與疲勞壽命的靈敏度分析時，若進行全試驗設計，則需要進行的試驗次數(shù)太多。正交試驗設計能從全面試驗中挑選出一些有代表性的點進行試驗，對于多因素影響分析來說，正交試驗是一種快速、高效、經(jīng)濟的一種試驗設計方法。文中將設計四因素三水平L9(34)的正交試驗，以金屬波紋管拉伸區(qū)域最大應力位置的損傷程度進行靈敏度分析[5]。結合合作企業(yè)多年來波紋管產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，確定波紋管結構參數(shù)的因素水平，如表2所示，正交試驗及分析結果如表3所示，正交試驗應力分析如圖3—5所示。

表2 因素水平表 單位：mm

按照正交試驗共進行9種不同組合的分析，運用正交試驗極差分析方法，得到各因素對于試驗指標影響大小的排序，確定最合適的因素水平搭配。

根據(jù)每列因素各水平所對應試驗指標之和的平均值計算極差R，極差R越大反映該因素對試驗指標的影響越大，稱為主要因素，表4給出各結構參數(shù)在同一水平下的均值與各水平因素的極差。

表3 金屬波紋管正交試驗設計及分析結果

圖3 試驗號1—3的正交試驗應力分析圖

圖4 試驗號4—6的正交試驗應力分析圖

圖5 試驗號7—9的正交試驗應力分析圖

表4 金屬波紋管各參數(shù)極差分析 單位：mm

由表4可以看出，壁厚對疲勞壽命影響最大，是關鍵因素；波高影響次之，是一般因素；波徑和波距對應力變化影響較小。

對于壁厚A，當壁厚從0.15 mm增加到0.2 mm時，應力下降率為81.2%，當壁厚從0.15 mm增加到0.25 mm時，疲勞壽命下降率為88.1%，從中可以看出壁厚為0.15 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波高B，當波高從11 mm增加到12 mm 時，應力增長率為188%，當波高從11 mm增加到13 mm時，疲勞壽命增長率為306%，從中可以看出波高為13 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波徑C，當波徑從1.8 mm增加到2 mm時，疲勞壽命下降率為16%，當波徑從1.8 mm增加到2.2 mm時，疲勞壽命下降率為75.6%，從中可以看出波徑為1.8 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大；對于波距D，當波距從6 mm增加到6.4 mm時，疲勞壽命下降率為59.7%，當波距從6 mm增加到6.8 mm時，疲勞壽命增長率為20%，從中可以看出波距為6.8 mm時，金屬波紋管疲勞壽命最大。綜上所述，通過正交試驗計算法分析所得最佳組合方案為：A1B3C1D1，即壁厚為0.15 mm，波高為13 mm，波徑為1.8 mm，波距為6 mm。從分析過程可以看出，各結構參數(shù)在一定范圍內，金屬波紋管疲勞壽命隨著壁厚的增加而減小，隨著波高的增加而增大，隨著波徑的增加而減小，隨著波距的增加出現(xiàn)先減小后增大的情況[6]。

4 結論

波紋管最大應力位置出現(xiàn)在拉伸一側第三波的波谷處，且應力集中主要分布在波谷位置。正交試驗組合分析結果表明，金屬波紋管壁厚對其疲勞壽命影響最大，波高影響次之，波徑和波距變化對疲勞壽命影響相對較小。通過正交試驗計算分析能夠得到金屬波紋管各結構參數(shù)的最優(yōu)組合方案，指導波紋管的結構參數(shù)設計。