汽车排气总管的模态分析
汽车排气系统静力学计算及模态分析
（上接第３９页）
解决，提高了整车的ＮｖＨ水平和声品质。
ｏ
、 置。
出 豫
Ｏ
Ｏ
ｏ
２００
４００
６００
８００
频率小ｚ
转速，ｒ．ｍｉｎ’１ 图１０车内右后座位处的５００ ｔｔｚ倍频带声压比较
一４２一
（。ｎｌ…＝７０。０ ｒ／ｍｉｎ滞气激励嚣兰篓兰鹜三Ｈｚ、发动机釜 济转速（现＝３ ０００ ｒ，ｍｉｎ）排气激雹频率五＝ｌｏ？Ｈｚ，多
两个转速对应的激励频率与计算的固有频率不同， 因此，可避免共振发生嗍。可见，有限元计算模态对
排气系统的振动特性分析具有指导意义．与试验模 态结合．可以很好地完成排气系统的振动性能分析。
图ｌ某轿车排气系统的有限元模型
表１零部件的材料属性
零部件
材料
弹性模鞋 ／ＭＰａ
泊松比
管道、消声器
４０９Ｌ
２．０６ｘｌｏｓ
０．３
密度， ｋｇ·ｍ。３ ７ ７００
法兰．吊钩
Ｑ２３５
橡胶吊耳 橡胶ＥＰＤＭ
２．１×１０ｓ ７．８
０．３ ０．４７
７ ８５０ ８７０
图２重力载荷下排气系统位移
３排气系统的有限元仿真分析
控制研究．振动．测试与诊断．２００１，２１（１）：５９～６４．
４庞剑．谌刚．何华．汽车噪声与振动——理论与应用．北京：
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大学出版社．２００８． ７赵松龄．噪声的降低与隔离（下册）．上海：同济大学出版
汽车排气系统总成模态分析
汽车排气系统总成模态分析王帅杜长远杨蓓摘要汽车排气系统的振动对汽车舒适性和排气系统寿命有重要的影响，文章利用SolidWorks软件建立某轿车排气系统的装配体模型，利用HyperMesh和ANSYS联合仿真有限元分析方法，对汽车排气管后消声器总成模型进行模态分析。
通过模态分析结果，分析汽车排气系统振动频率及危险位置，分析结果对相关排气系统后消声器总成设备进行优化设计有指导意义。
关键词汽车排气系统；模态分析；有限元方法中图分类号:U464.134.4文献标识码:ADOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.19.018王帅研究方向为机械设计制造及其自动化,上海市东方海事工程技术有限公司。
杜长远里海大学,研究方向为机械力学,上海市东方海事工程技术有限公司。
杨蓓上海电机学院,研究方向机械设计,上海市东方海事工程技术有限公司。
AbstractThe vibration of the car’s exhaust system has an important influence onthe comfort of the car and the life of the exhaust system.In this paper,the SolidWorks software is used to build the assembly model of a car exhaustsystem.The modal analysis of the rear exhaust muffler assembly model ofthe automobile exhaust pipe is carried out by Hyper Mesh and ANSYSjoint simulation finite element analysis.Through the modal analysis results,the frequency and dangerous position of the vehicle exhaust systemvibration are analyzed.The analysis results have important guiding significance for the design of the exhaust muffler assembly exhaust system.Key WordsVehicle exhaust system;Modal analysis;Finite element method0引言随着汽车行业的高速发展，汽车轻量化是主要发展方向之一[1]，除了汽车的安全性，汽车的舒适性也越来越受到重视。
排气系统模态及振动响应分析
机电技术 2012年2月110作者简介：卞信涛(1987－)，男，工程师，研究方向：汽车噪声与振动。
排气系统模态及振动响应分析卞信涛(东南(福建)汽车工业有限公司研发中心，福建 福州 350119)摘 要：文章介绍利用Altair/HyperMesh 软件创建某排气系统有限元模型，运用MSC/Nastran 软件计算排气系统的约束模态，对约束模态分析的结果进行评价。
最后结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。
关键词：排气系统；模态；振动；频率响应分析中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-110-03动力总成作为车辆的主要振动激励源，其工作时产生的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车身，若吊耳位置及其性能匹配不佳，会导致较大的车身振动通过座椅、地板和方向盘直接传递给乘客，进而影响乘员舒适性。
所以，控制传递到车身上的力是排气系统振动控制的最主要目标之一。
本文对某排气系统约束模态分析的结果进行评价，结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。
1 排气系统模型创建图1 排气系统有限元模型图1为排气系统的有限元模型，以下是该模型的主要组成部分：动力总成部分：动力总成(包含排气歧管)是用质量、惯量、刚性梁和弹簧来模拟的，它的质量和惯量参数施加在质心上，用三个弹簧单元(每个弹簧单元有X 、Y 、Z 三个方向的刚度)来模拟悬置衬套，三个刚性梁单元分别将质心与悬置衬套连接起来。
动力总成的质心与排气系统的开始端也用刚性梁单元相连。
排气系统部分：排气系统依据3D 模型建立，包括三元催化器、副消音器、主消音器以及吊耳等。
球连接及吊耳橡胶部分：球连接主要控制动力总成传递到冷端的振动，球连接只有三个方向的转动自由度，吊耳车身侧被动挂钩与排气系统侧主动挂钩间的橡胶用弹簧单元模拟，并设置X 、Y 、Z 三个方向的刚度。
18_汽车排气系统模态及悬挂点布置分析
18_汽车排气系统模态及悬挂点布置分析在汽车工程中，汽车排气系统的模态及悬挂点布置分析是非常重要的研究方向。
本文将对汽车排气系统的模态和悬挂点布置进行详细讨论，并探讨其对汽车整体性能和乘坐舒适性的影响。
1. 汽车排气系统的模态分析汽车排气系统是引擎排放废气的重要组成部分，其模态特性直接影响到排气噪声和排放性能。
在模态分析中，通过使用有限元分析方法，可以模拟排气管、消声器等结构在运行时的振动响应。
根据模态分析的结果，可以对排气系统的结构进行优化，以减少振动和噪声。
2. 汽车排气系统的悬挂点布置分析悬挂点是指汽车排气系统与车身连接的位置，其布置合理与否直接影响到排气系统的稳定性和可靠性。
在悬挂点布置分析中，需要考虑排气系统的重量、振动情况以及与其他车身部件的协同性。
通过使用计算机辅助设计和有限元分析方法，可以对不同悬挂点布置方案进行模拟和评估，以寻找最佳的布置方案。
3. 汽车排气系统模态与悬挂点布置的影响汽车排气系统的模态和悬挂点布置对汽车整体性能和乘坐舒适性有着重要的影响。
首先，模态的合理设计可以减少排气系统的振动和噪声，提高乘坐舒适性。
其次，悬挂点的布置应考虑到汽车的动力学特性，避免因振动引起的磨损和破损。
最后，合理的模态和悬挂点布置可以提高汽车的排放性能，减少废气排放对环境的污染。
4. 汽车排气系统模态与悬挂点布置的优化方法为了优化汽车排气系统的模态和悬挂点布置，可以采用以下方法。
首先，通过使用有限元分析方法，可以模拟不同排气系统结构在运行时的振动特性，从而找出振动频率和模态。
其次，可以对不同悬挂点布置方案进行有限元分析和模拟验证，评估其对排气系统模态和整体性能的影响。
最后，根据优化的结果，可以对排气系统的结构和悬挂点进行调整和优化，以达到最佳的模态和布置效果。
综上所述，汽车排气系统的模态及悬挂点布置分析对汽车整体性能和乘坐舒适性具有重要意义。
通过合理设计排气系统的模态和悬挂点布置，可以减少振动和噪声，提高乘坐舒适性，并改善汽车的排放性能。
汽车排气系统静力学计算及模态分析概要
个Pipel6单元.6个Combinl4单元。
图l某轿车排气系统的有限元模型表1零部件的材料属性弹性模鞋密度,零部件材料泊松比/MPakg・m。
3管道、消声器409L2.06xlos0.37700法兰.吊钩Q235 2.1×10s 0.37850橡胶吊耳橡胶EPDM7.80.478703排气系统的有限元仿真分析3.1有限元模型的静力学计算基于该排气系统在发动机和橡胶吊耳约束的条件下.其最大位移和最大应力以及橡胶吊耳的最大受力都有限值约束。
因此.对其进行了排气系统在重力载荷下的静力学分析。
将HyperMesh中建立好的有限元模型导入ANSYS中并进行重力载荷的加载.对其进行静力学分析。
图2、图3和图4分别为重力载荷下,排气系统的位移、应力和橡胶吊耳处的受力图。
由图中数据可知.该排气系统在重力载荷的条件下.其最大位移和最大应力分别为3.02唧和31.9MPa.各橡胶吊耳处的最大受力为31.487N.且受力相对均匀.因此.满足静力载荷下的设计要求。
3.2有限元模型的模态分析将加载约束条件的有限元模型导入ANSYS。
采取BIock Lanczos方法提取该排气系统的各阶次模态值.从而获得排气系统的约束模态,表2为该排气系统的各阶次频率值。
图5为该排气系统不同阶次下约束模态的振型。
从模态振型图来看,大多数表现为系统受约束的某种摆动。
图2重力载荷下排气系统位移图3重力载荷下排气系统应力图4重力载荷下排气系统橡胶吊耳处受力表2排气系统各阶次频率模态阶次l2345678频率,Hz 8.47511.78014.65818.41619.82927.19331.26636.661模态阶次910.1l 1213141516频率,Hz56.68161.74884.78993.619123.650136.350l“.890186.8002010年第1期.-——41..——排气系统的振动特性分析具有指导意义.与试验模态结合.可以很好地完成排气系统的振动性能分析。
汽车排气系统静力学计算及模态分析
汽车排气系统静力学计算及模态分析汽车排气系统是引擎的一部分，它的作用是将引擎燃烧产生的废气和噪音从车辆底部排出，为了保持引擎的性能和减少对环境的影响，排气系统的设计必须考虑静力学计算和模态分析，以下将详细介绍这两个方面。
一、静力学计算静力学计算旨在确定在引擎运转时，排气系统中存在的压力及对它会产生的力和扭矩的影响。
这些力和扭矩的作用都会导致排气系统产生振动，下面我们将从三个方面进行分析：1. 背压计算在排气系统中，背压是指尾气在流经排气系统时产生的空气压力之和，这个压力会对引擎的性能产生影响。
当排气系统中背压过高时，会使引擎的性能下降。
因此，在设计排气系统时必须要根据引擎的输出和尾气产生的流量来计算背压。
2. 力和扭矩计算在引擎工作时，排气系统受到的总体力和扭矩都是非常关键的参数。
这些参数可以通过测量排气管的弯曲、长度、截面面积等参数来计算。
当排气系统的力和扭矩较大时，可以采用更加坚固的材料来制造排气系统，以确保其能够承受这些作用力。
3. 振动计算振动是指排气系统在引擎工作时产生的机械波动。
这种振动可以对排气系统和其他部件产生损伤。
因此，在设计排气系统时，必须要考虑振动特性，以便控制和减少振动。
二、模态分析模态分析旨在确定排气系统的共振特性，例如本征频率和共振幅值等，以便设计人员能够更好地了解设计中可能出现的问题。
这种分析可以使用有限元分析的方法进行，下面我们将具体介绍：1. 有限元分析有限元分析是一种计算机辅助的工程分析方法。
在排气系统的设计中，有限元分析可以用于计算其振动、应力和变形等。
有限元分析的主要目的是确定系统中的自由振动模态和固定点的受力和应变，以便设计人员可以精确地计算设计参数。
2. 本征频率和共振幅值分析在分析排气系统的振动时，本征频率和共振幅值是非常重要的参数。
本征频率是指系统的自由振动频率，而共振幅值是指系统受到外部作用力时产生的响应。
在排气系统的设计中，必须要考虑到这两个参数，以确保排气系统能够在运行时不会受到过大的振动影响。
18_汽车排气系统模态及悬挂点布置分析
汽车排气系统模态及悬挂点布置分析Modal and Hanger Location Analysis of VehicleExhaust System郭维清李翠霞雷应锋王纯崔保石（长安汽车北京研究院北京100195）摘要：为减小汽车排气系统吊挂点位置对整车NVH性能的影响，本文采用HyperMesh软件对某汽车排气系统进行了有限元建模，通过模态分析结果，利用平均驱动自由度位移法对排气系统吊挂位置进行布置，并对排气系统进行频率响应分析，将计算出来的理论吊挂位置与该车实际吊挂位置的频率响应分析结果相对比，考察两次分析结果中振动响应的区别，为今后的研究提供经验参考。
关键词：汽车排气系统；悬挂位置；模态分析；HyperMesh; 频率响应分析Abstract: To reduce the vibration in the NVH performance of the vehicle from the hanger location of exhaust system, finite modeling on a vehicle's exhaust system is performed by HyperMesh, and with the result of modal analysis, the ADDOFD method is used to assign hanger location. Furthermore, through frequency response analysis of the exhaust system, comparing results of theoretical hanger location and actual hanger location, investigating the difference between two results of vibration analysis, experience and reference for further research is provided.Key words: vehicle exhaust system, hanger location, modal analysis, HyperMesh, frequency response analysis1 引言随着社会的发展和技术的进步，人们对汽车的要求越来越高。
汽车排气系统模态敏感度分析
汽车排气系统模态敏感度分析Modal Sensitivity Analysis of Automotive Exhaust System代智军周新刘海波徐东辉(天纳克汽车工业有限公司上海研发中心）摘要：本文以Altair HyperWorks 作为前处理工具，对某型号汽车排气系统进行网格离散化，进而建立敏感度分析模型，分析讨论了汽车排气系统材料弹性模量、管壁厚度、吊耳刚度和绕性节刚度数据对排气系统各阶模态的影响。
本文的研究结果对排气系统的后续优化设计工作具有一定指导意义。
关键词：模态分析，汽车排气系统，敏感度分析，HyperWorksAbstract: In this paper, Altair HyperWorks was used as the pre-processing tool to meshing one automotive exhaust system, and to set up the modal sensitivity analysis model. Then the effects of material Young’s modulus, component wall thickness and isolator stiffness data on system mode frequency were analyzed. Results of this paper can be the reference for the following exhaust system optimization design.Keywords: modal analysis，automotive exhaust system, sensitivity analysis, optimization1引言汽车排气系统在实际使用过程中的载荷工况比较复杂和恶劣，不但要承受来自发动机和路面的激励载荷作用，同时排气系统的热端还要承受高温热循环载荷的作用。
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工程结构模态分析文献综述_______________________________________________________________________________________ 汽车排气总管的模态分析
摘要：汽车排气总管是排气系统的重要部分。
采用有限元法分析排气对管壁的作用，确定排气总管的固有频率和振动模态。
为减小某轻型货车排气总管在发动机怠速情况下的振动，利用MSC/ NASTRAN有限元分析软件对其进行模态分析。
分析结果表明：怠速下发动机的激励频率与该排气总管的固有频率发生耦合，引起了共振。
针对实际生产情况，通过改进发动机与排气总管的连接方式改变了排气总管的固有频率，降低了振动。
关键词：排气总管；有限元法；模态分析；流固耦合
0 引言
汽车排气总管是发动机排气系统的重要部分。
其设计的好坏不但影响发动机的泵气损失及排放，而且还会引起噪声和振动。
对它进行流固耦合的静力分析和模态分析，其结果可用来防止排气总管因振动过大，导致破裂而漏气。
采用有限元法，在三维流场分析的基础上，把排气压力传递到排气管管壁上，分析排气压力作用的结果。
这种间接耦合，由于非线性程度不高，因而只进行单向耦合分析，而不考虑多次耦合的作用。
通过模态分析，能有效地了解排气管的振动情况，从而在适当的部位加以约束，减小其振动。
针对某改装轻型货车排气总管在发动机怠速下振动过大的现象，利用MSC/NASTRAN有限元分析软件计算排气总管的振动模态，找出故障原因并加以改进。
1 流固耦合分析
流固耦合分析可采用顺序耦合和直接耦合的方法。
顺序耦合包括多个按一定顺序排列的分析，通过将前一个分析的结果作为载荷施加到后一个分析中的方式进行耦合。
直接耦合使用包含多场自由度的耦合单元，通过计算所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
对于非线性程度不高的问题，顺序耦合法更灵活、更有效。
在多场问题中，顺序耦合分析是相对独立的，可以单向耦合，也可以双向耦合。
单向耦合把一个分析所得的结果作为第二个分析的载荷传递一次。
双向耦合则在不同物理场之间来回多次传递，直到分析达到一定的精度。
由于排气管的变形很小，对流场的影响甚微，故采用顺序单向耦合方法对排气管进行静力分析和模态分析，即在流场分析的基础上得到排气压力的分布，再把压力传递到排气管壁进行分析计算。
2 排气总管模型
2.1物理模型
图1为某改装轻型货车排气总管的主要部分，包括排气消声器、主管和尾管。
其前端通过螺栓与发动机刚性相连，中间以两处橡胶支撑悬挂在车厢底板平面上。
排气总管各部分的材料均为Q190。
在怠速情况下发动机产生较大的振动。
虽然柔性支撑会使其振动减小，但是仍然会有较大幅度的振动传递到排气总管。
汽车排气总管可视为由各种不同直径和质量密度的梁单元组成的不规则形状的梁。
橡胶悬置可视为线性弹簧，弹簧的刚度根据橡胶的拉伸试验来确定。
另外，鉴于减振的目标是使由排气总管传递到地板的力最小，整车地板将假定为刚体。
橡胶悬置的阻尼有助于减小振动,但为了简化分析工作，忽略橡胶阻尼的影响。
图1排气总管的三维几何模型
图2 排气总管的有限元模型
2.2 有限元模型
模态计算采用MSC/NASTRAN有限元程序。
图2是该排气总管的梁单元模型。
在消声器悬挂位置附近安排的单元密度较大，消声器的轴线位置与相邻的排气管轴线之间有一偏移量,两者之间通过刚性单元进行连接。
此模型包括186个节点和185个梁单元。
其中1点为排气总管与发动机相接点，15和16点为橡胶悬挂点，对排气总管的进气口和悬挂点均加以刚性约束。
3模态分析
3.1 发动机的激励频率
所用汽车发动机是一个三缸四冲程发动机。
作用于发动机的激励有二。
一是与其转矩大小相等而方向相反的翻倒力矩；二是不平衡的二次往复惯性力主矩。
在这两种激励下发动机发生振动并影响到排气总管。
直列式发动机翻倒力矩主谐量的频率，即其总转动力矩的主频率，可按下式计算：
f x = in/ 30τ
式中i为气缸数；n为发动机曲轴转速；τ为发动机冲程数。
对于三缸四冲程柴油机，在怠速转速n =900r/ min时，其翻倒力矩主频率为f x = 22.5Hz，倍频为45、67、5、…Hz。
3.2 排气总管的特征值计算
求解特征值问题有多种数值方法。
反幂法是一种较老的方法，已很少使用，因为它不仅可能丢根，而且还不能给出求解过程中的任何错误信息。
STNV法在求解多个模态时费用太大。
Givens 法和Householder法只适应于较小的结构。
尽管改进的Givens法和Householder法有了很大的改善，但在求解时需要做一些额外的处理计算，并且对低阶模态的求解精度较差。
Lanczos方法是将n×n阶实矩阵经相似变换约化为三对角矩阵以求解特征值问题的一种方法，具有运算速度快、输入参数少、特征值和特征向量求解精度高等优点。
由于它采用了Sturum序列检查，在用户感兴趣的频率范围内、在每个漂移点处如果找不到所有的特征根,Lanczos方法会给出提示信息，弥补了丢根的缺陷。
采用Lanczos方法，对图2所示的有限元模型利用MSC/NASTRAN 进行分析,得出该排气总管的前6阶固有频率如表1所示。
表1排气总管前六阶模态
模态阶数频率/Hz 模态形式的描述
1 8.765 y向弯曲
2 9.716 z向弯曲
3 14.80 绕z轴扭转
4 23.53 绕x轴扭转
5 39.93 y向二阶弯曲
6 53.80 z向二阶弯曲
模态分析结果表明：排气总管的前6阶模态中第四阶固有频率接近发动机怠速工况的翻倒力矩主频率和二次往复惯性力主矩频率。
这就是该排气总管在发动机怠速情况下，振动较大的原因。
由模态分析还可看出，其第四模态(频率为23.53Hz)是以管7的中点为节点的绕x轴的扭转振动，振动最大处位于排气总管的尾部。
4 排气总管的改进
为使排气总管减振，应改变其固有频率，使之远小于发动机怠速工况的激励频率。
文献[6]通过改变橡胶的刚度和悬挂位置来改变排气总管的模态频率，这种方法不但复杂，而且需要对生产工艺进行较大的改动。
考虑到实际生产情况，在发动机和排气总管的进口之间采用波纹软管连接来降低排气总管的模态频率。
此改进排气总管的计算模型中，利用弹簧来模拟连接处的波纹软管，弹簧的刚度根据波纹管的加载试验确定。
计算得出改进的排气总管的模态频率已不与发动机的翻倒力矩主频率重合，其前6阶模态频率数值见表2。
表2 排气总管改进后模态分析结果
模态阶数频率/Hz 模态形式的描述
1 0.0108
2 y向平动
2 0.3186 z向平动
3 0.4329 y向弯曲
4 0.8982 z向弯曲
5 1.892 y向弯曲
6 8.948 扭转+弯曲
由表2中可以看出，改进之后，排气总管的固有频率显著降低，前6阶模态频率已远小于发动机的激励频率。
实车试验结果表明，改进之后排气总管的振动显著减小。
5 结论
采用有限元法，在三维流场分析基础上，把排气压力传递到排气管管壁上，分析排气压力作用的结果。
计算分析表明，排气压力的耦合作用不强，温度是影响位移和应力的主要因素之一。
发动机工作时，排气总管在XY面内的振动最剧烈，在此平面内加约束，可有效控制振动。
参考文献：
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