CN117235947A - 一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，包括以下步骤：确定波纹管安装边界及发动机的极限摆角α；初步确定匹配的波纹管的规格；建立波纹管的三维模型；模拟波纹管极限摆角下的各向位移；判断波纹管位移是否合理；通过有限元软件计算波纹管极限摆角下的应力分布；根据S‑N曲线判断极限摆角下的应力是否满足要求；根据四个工况的应力和极限循环次数计算各工况损伤及总损伤；判断总损伤是否满足要求。本发明的波纹管疲劳损伤评估方法将试验经验和仿真分析方法相结合，能够在发动机排气系统的波纹管前期设计开发结算进行波纹管的选型应用和匹配，属于正向开发范畴，对提升正向设计开发能力具有非常关键的作用。

Description

一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法

技术领域

本发明属于柴油机尾气后处理，具体涉及一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法。

背景技术

汽车排气系统波纹管一般位于发动机排气净化器与消音器之间，对排气系统起到减震与降噪的作用。由于波纹管的应用环境恶劣，需承受排气高温、发动机振动激励和道路载荷的多重作用，因此市场应用中经常出现波纹管疲劳断裂问题。而目前工程应用中对波纹管的可靠性评估方法欠缺，多数研究仅能考虑波纹管的刚度问题、模态问题以及在静态载荷下的应力问题等，而基于整车使用过程中极限载荷下的疲劳损伤问题尚缺乏可靠的评估方法。

因此，如何在前期设计阶段快速评估波纹管的设计是否满足整车使用过程中极限载荷下的疲劳耐久要求显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法。本发明基于仿真的波纹管疲劳损伤程度评估方法，能够精确预测整车使用过程中极限载荷下波纹管的疲劳损伤程度。

为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，包括以下步骤：

步骤一：确定波纹管安装边界及发动机的极限摆角α；

步骤二：初步确定匹配的波纹管的规格；

步骤三：建立波纹管的三维模型；

步骤四：模拟波纹管极限摆角下的各向位移；

步骤五：判断波纹管位移是否合理，如基本符合试验值范围，则继续进行步骤六，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格，通过更改波纹管长度、刚度在内的参数减小波纹管的轴向位移L和径向位移S；

步骤六：通过有限元软件计算波纹管极限摆角下的应力分布；

步骤七：根据S-N曲线判断极限摆角下的应力是否满足要求；如最大应力小于抗拉强度和屈服应力，则进入步骤八，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配；

步骤八：根据急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况的应力和极限循环次数计算各工况损伤及总损伤；

步骤九：判断总损伤是否满足要求，若总损伤满足则完成波纹管匹配应用，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配应用。

进一步地，步骤一中，所述波纹管的安装边界包括波纹管进气端中心点以及动力总成的质心点在整车坐标系下的位置；

所述极限摆角α通过整车28工况下的动力总成位移测试来确定或根据经验数据库制定。

进一步地，步骤二中，所述波纹管的规格用于进行波纹管的位移计算和后续的有限元模型建立，包括波纹管的长度、直径、层数、单层波纹管的厚度、波形、波高、波距、波数及材料。

进一步地，步骤三中，建模过程简化波纹管中的非线性因素，仅保留波纹管段进行研究。

进一步地，步骤四中，将建立的波纹管模型置于整车坐标系下，根据动力总成质心位置和发动机的摆角α，模拟出波纹管在急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的轴向位移L、径向位移S和总位移D。

进一步地，步骤五中，根据类似规格、类似安装边界下的波纹管在整车极限工况下位移测试结果数据库来间接判断波纹管位移是否合理。

进一步地，步骤六中，将波纹管出气端视为固定处理，并根据步骤四中波纹管的各向位移计算波纹管在急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的应力分布。

进一步地，步骤八中，根据预估急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的极限循环次数、步骤七计算所得的应力分布情况，采用疲劳计算软件计算各工况下的疲劳损伤值M_{急加速前进}、M_{急加速倒车}、M_正常前进及M_正常倒车，并根据下述公式计算总损伤M_总损伤；

选取的四个工况下的总损伤计算方法如下：

M_总损伤＝M_{急加速前进}+M_{急加速倒车}+M_正常前进+M_正常倒车。

进一步地，步骤九中，总损伤的评估采用最大可接受损伤理论判定，选用M_总损伤≤20％作为评估标准。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、现有技术多采用波纹管在极限载荷下的应力水平间接评估波纹管可靠性，本发明取整车使用工况中波纹管产生应力的典型工况来评估波纹管的疲劳损伤，并根据各工况的总损伤评估波纹管的可靠性。

2、现有技术多采用非常规使用的极限工况作为评估波纹管应力和损伤的依据，和实际波纹管在整车上使用的具体情况不相符合。本发明采用整车正常使用工况中，极易出现的急加速向前和急减速倒车作为波纹管的损伤计算工况，同时考虑整车正常起步和正常倒车工况下波纹管损伤累积，更加贴近实际应用场景。

3、本发明采用大量的整车道路试验数据库获得类似波纹管的位移数据，用以和建立的模型进行位移对比，从而验证和保证了所建有限元分析模型的准确性。同时根据整车应用场景预估正常起步、正常倒车、急加速向前和急加速倒车的循环次数，用以评估波纹管在各工况下的损伤。

4、由于波纹管存在较大非线性的属性，且其在随发动机摆动过程中也存在一定的振动，且其在实际应用中前端连接净化器，后端连接排气管和消声器，受力形式较为复杂，详细描述其模型和受力既不经济也将耗费较长计算时间。因此，本发明将波纹管的受力情况进行简化处理。由于净化器通过刚性较大的支架直接固定在发动机缸体上，其刚度远大于波纹管刚度，因此，净化器部分可简化为刚性杆结构，不考虑其变形的影响。同时，因非承载式波纹管出气口一般都设置吊挂件固定，且消声器的摆动能量大部分被吊耳吸收，可将波纹管出气端视为固定处理。本发明仅考虑发动机摆动对其的影响，抓住主要影响因素，大大简化了模型，提高了计算速度。

5、波纹管的非线性属性主要为外网套、伸缩节和两端卡环等结构导致的，而考虑波纹管的非线性属一方面大大提高了波纹管的模型复杂程度，增加了计算量，同时对考察波纹管疲劳损伤的规律不利，因此，本发明选择简化波纹管的非线性因素。

6、本发明可通过各工况下的总的疲劳损伤评估波纹管的前期匹配应用是否合理，评估标准可通过最大可接受损伤理论制定。本发明按照100％疲劳损伤＝50％幸存概率，即20％的疲劳损伤等同于5倍安全系数，幸存概率将＞99％来评估总损伤是否满足应用条件。

7、本发明也可以通过波纹管最大应力情况，并根据试验获得的经验S-N曲线直接判断波纹管的使用寿命。

8、本发明的波纹管疲劳损伤评估方法将试验经验和仿真分析方法相结合，能够在发动机排气系统的波纹管前期设计开发阶段进行波纹管的选型应用和匹配，属于正向开发范畴，对提升正向设计开发能力具有非常关键的作用。

附图说明

图1为排气系统某规格的波纹管在整车应用场景中的位移测试曲线图。

图2为波纹管在整车坐标系下的模型简化示意图。

图3为波纹管简化模型在急加速前进和急加速倒车工况下的位移模拟示意图。

图4为波纹管简化模型在急正常启动前进和正常启动倒车工况下的位移模拟示意图。

图5为本发明基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法的总体流程图。

图6为某规格波纹管的S-N曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图6所示，现有技术多采用波纹管在极限载荷下的应力水平间接评估波纹管可靠性，本发明不但结合了试验数据库和经验判断的方法，同时，在通过取整车使用工况中波纹管产生应力的典型工况来评估波纹管的疲劳损伤，并根据各工况的总损伤评估波纹管的可靠性，是两种方法的有机结合、协同评估的综合性方法。

如表1-2、图3-4所示，现有技术多采用非常规使用的极限工况作为评估波纹管应力和损伤的依据，和实际波纹管在整车上使用的具体情况不相符合。本发明采用整车正常使用工况中，极易出现的急加速向前和急减速倒车作为波纹管的损伤计算工况，同时考虑整车正常起步和正常倒车工况下波纹管损伤累积，更加贴近实际应用场景。

为了保证上述四个工况下的波纹管预测位移和实际相符，需通过大量的整车道路试验建立波纹管位移数据库，用以和建立的模型进行位移对比。同时根据整车应用场景预估正常起步、正常倒车、急加速向前和急加速倒车的循环次数，用以评估波纹管在各工况下的损伤。正常起步工况按照平均一次起步行进0.5km计算，25万公里寿命则需50万次循环。正常倒车按照平均3.6km倒车一次计算，则需要约7万次循环。急加速前进按照平均5km一次，则满足25万公里寿命需要5万次循环。急加速倒车工况则按照平均42km一次，则整个生命周期约有6000次循环。

本发明通过上述四个工况下的总的疲劳损伤评估波纹管的前期匹配应用是否合理，评估标准可通过最大可接受损伤理论制定。本发明按照100％疲劳损伤＝50％幸存概率，即20％的疲劳损伤等同于5倍安全系数，幸存概率将＞99％来评估总损伤是否满足应用条件。因此，实施例中评估标准定为M_总损伤≤20％。

此外，本发明也可以通过波纹管最大应力情况，并根据试验获得的经验S-N曲线直接判断波纹管的使用寿命。

实施例1

一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一：确定波纹管安装边界及发动机的极限摆角α。

波纹管的安装边界包括波纹管进气端中心点以及动力总成的质心点在整车坐标系下的位置，获取以上边界的目的是为了在三维软件中模拟波纹管在极限摆角下的运动情况。

一般情况下，发动机在急加速起步和急加速倒车情况下的极限摆角α可通过整车28工况下的动力总成位移测试来确定，或者根据经验数据库制定。

对于常见的乘用车动力总成来说，发动机急加速向前和急加速倒车的极限摆角α可定为±3.5°或者±4.2°等固定值，具体可根据发动机的悬置配置情况确定。发动机正常启动前进和正常启动倒车工况下的摆角α可取极限摆角的80％的水平。

步骤二：初步确定匹配的波纹管的规格。

此步骤可通过以往应用经验来评估采用的波纹管的规格，波纹管的规格用于进行波纹管的位移计算和后续的有限元模型建立。

波纹管的规格包括波纹管的长度、直径、层数、单层波纹管的厚度、波形、波高、波距、波数、材料等。

步骤三：建立波纹管的三维模型。

根据步骤二选择的波纹管的规格，初步建立波纹管的实体模型，建模过程简化波纹管中的非线性因素。

波纹管的非线性属性主要为外网套、伸缩节和两端卡环等结构导致的，而考虑波纹管的非线性属一方面大大提高了波纹管的模型复杂程度，增加了计算量，同时对考察波纹管疲劳损伤的规律不利。因此，本发明选择简化波纹管的非线性因素，仅保留波纹管段进行研究。

步骤四：模拟波纹管极限摆角下的各向位移。

本步骤中将建立的波纹管模型置于整车坐标系下，根据动力总成质心位置和发动机的摆角α，模拟出波纹管在急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的轴向位移L、径向位移S和总位移D。

由于波纹管存在较大非线性的属性，且其在随发动机摆动过程中也存在一定的振动，且其在实际应用中前端连接净化器，后端连接排气管和消声器，受力形式较为复杂，详细描述其模型和受力既不经济也将耗费较长计算时间。因此，本发明将波纹管的受力情况进行简化处理。由于净化器通过刚性较大的支架直接固定在发动机缸体上，其刚度远大于波纹管刚度。因此，位移模拟过程中，将波纹管前端至发动机质心之间的结构简化为刚性杆结构，不考虑其变形的影响。刚性杆在发动机前后摆动工况下拉扯波纹管发生轴向位移和径向位移，即获得L1、L2、L3、L4、S1、S2、S3、S4、D1、D2、D3、D4等参数，如图3、图4及表2所示；

表2为波纹管在不同工况下的各向位移和总位移

步骤五：判断波纹管位移是否合理，如基本符合试验值范围，则继续进行步骤六，否则应返回步骤二重新选择波纹管的规格，通过更改波纹管长度、刚度等减小波纹管的轴向位移L和径向位移S；

此步骤可根据图1所示类似规格、类似安装边界下的波纹管在整车极限工况下位移测试结果数据库来间接判断波纹管位移是否合理。

步骤六：通过有限元软件计算波纹管极限摆角下的应力分布。

非承载式波纹管出气口一般都设置吊挂件固定，且消声器的摆动能量大部分被吊耳吸收，可将波纹管出气端视为固定处理。同时，根据表2所示的波纹管的各向位移(L1、L2、L3、L4、S1、S2、S3、S4、D1、D2、D3、D4)计算波纹管在上述四个工况下的应力分布。

步骤七：根据S-N曲线判断极限摆角下的应力是否满足要求。如最大应力小于抗拉强度和屈服应力，则进入步骤八，否则需返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配。

一方面，可通过极限摆角下的应力判断最大应力是否满足材料的抗拉强度和屈服强度。另一方面，则可以通过试验获得的同规格、同等安装条件下波纹管的S-N曲线提前评估波纹管的使用寿命，如图6所示。

步骤八：根据急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况的应力和极限循环次数计算各工况损伤及总损伤。

如表1所示，根据预估急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的极限循环次数、步骤七计算所得的应力分布情况，采用疲劳计算软件Ncode计算各工况下的疲劳损伤值M_{急加速前进}、M_{急加速倒车}、M_正常前进及M_正常倒车，并根据下述公式计算总损伤M_总损伤；

选取的四个工况下的总损伤计算方法如下：

M_总损伤＝M_{急加速前进}+M_{急加速倒车}+M_正常前进+M_正常倒车。

表1为发动机全寿命周期内在各工况下的循环次数预测值

整车工况	急加速前进	急加速倒车	正常启动前进	正常启动倒车
					发动机摆角	+3.5°	-3.5°	+2.8°	-2.8°
极限循环次数	50000	6000	500000	70000

步骤九：判断总损伤是否满足要求。

总损伤的评估采用最大可接受损伤理论判定，即100％疲劳损伤＝50％幸存概率，20/％的疲劳损伤等同于5倍暗转系数，即幸存概率将＞99％。因此，选用M_总损伤≤20％作为评估标准。若总损伤满足则完成波纹管匹配应用，否则需返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配应用。

本发明的波纹管疲劳损伤评估方法将试验经验和仿真分析方法相结合，能够在发动机排气系统的波纹管前期设计开发结算进行波纹管的选型应用和匹配，属于正向开发范畴，对提升正向设计开发能力具有非常关键的作用。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定波纹管安装边界及发动机的极限摆角α；

步骤二：初步确定匹配的波纹管的规格；

步骤三：建立波纹管的三维模型；

步骤四：模拟波纹管极限摆角下的各向位移；

步骤五：判断波纹管位移是否合理，如基本符合试验值范围，则继续进行步骤六，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格，通过更改波纹管长度、刚度在内的参数减小波纹管的轴向位移L和径向位移S；

步骤六：通过有限元软件计算波纹管极限摆角下的应力分布；

步骤七：根据S-N曲线判断极限摆角下的应力是否满足要求；如最大应力小于抗拉强度和屈服应力，则进入步骤八，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配；

步骤八：根据急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况的应力和极限循环次数计算各工况损伤及总损伤；

步骤九：判断总损伤是否满足要求，若总损伤满足则完成波纹管匹配应用，否则返回步骤二重新选择波纹管的规格进行匹配应用。

2.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤一中，所述波纹管的安装边界包括波纹管进气端中心点以及动力总成的质心点在整车坐标系下的位置；

所述极限摆角α通过整车28工况下的动力总成位移测试来确定或根据经验数据库制定。

3.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤二中，所述波纹管的规格用于进行波纹管的位移计算和后续的有限元模型建立，包括波纹管的长度、直径、层数、单层波纹管的厚度、波形、波高、波距、波数及材料。

4.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤三中，建模过程简化波纹管中的非线性因素，仅保留波纹管段进行研究。

5.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤四中，将建立的波纹管模型置于整车坐标系下，根据动力总成质心位置和发动机的摆角α，模拟出波纹管在急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的轴向位移L、径向位移S和总位移D。

6.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤五中，根据类似规格、类似安装边界下的波纹管在整车极限工况下位移测试结果数据库来间接判断波纹管位移是否合理。

7.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤六中，将波纹管出气端视为固定处理，并根据步骤四中波纹管的各向位移计算波纹管在急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的应力分布。

8.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤八中，根据预估急加速向前、急加速倒车、正常启动前进和正常启动倒车四个工况下的极限循环次数、步骤七计算所得的应力分布情况，采用疲劳计算软件计算各工况下的疲劳损伤值M_{急加速前进}、M_{急加速倒车}、M_正常前进及M_正常倒车，并根据下述公式计算总损伤M_总损伤；

选取的四个工况下的总损伤计算方法如下：

M_总损伤＝M_{急加速前进}+M_{急加速倒车}+M_正常前进+M_正常倒车。

9.根据权利要求1所述的基于仿真的波纹管疲劳损伤评估方法，其特征在于，步骤九中，总损伤的评估采用最大可接受损伤理论判定，选用M_总损伤≤20％作为评估标准。