汽车排气系统静力学计算及模态分析

’裹主；．ｉ羡ｉ苏≥莩：ｉ菡．““…““…～一Ｐ一 １ （责任编辑学林） 修改稿收到日期为２００９年１１月１８日。
（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．
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４王墅／Ｎ圆ｇ。全．嚣篡差嚣声２０器０５消，２声７（性４）能：３仿４５真“３４与７改．进：ｆ学位
移和最大应力分别为３．０２唧和３１．９ ＭＰａ．各橡胶
吊耳处的最大受力为３１．４８７ Ｎ．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
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 频率，Ｈｚ 模态阶次 频率，Ｈｚ
万方数据
参考文献 ｌ Ｋｌｉｎｇｅｎｂｅｒｇ Ｈ．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌ—ｍｅｓｓｔｅｅｈｎｉｋ ｂａｎｄ Ａ：ａｋｔｔｓｔｉｋ．
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．设计．计算．研究．
汽车排气系统静力学计算及模态分析★
侯献军Ｉ 刘志恩Ｉ颜伏伍１ 刘 庆２ （１．武汉理工大学；２．河南机电高等专科学校）
【摘要】建立了某汽车排气系统的有限元模型，并进行了有限元模型的静力学计算和模态分析。静力学计算结果 表明．该车辆排气系统各橡胶吊耳处受力相对均匀．系统的最大位移和应力均满足设计要求。模态分析结果表明，怠 速和经济转速下发动机的排气激励频率避开了该排气系统的同有频率．使得该系统具有较好的动态特性。
·基金项目：国家“十一五”８６３计划资助项目（２００７ＡＡ０６２３４１） ·－－——４０－－－——
汽车技术
万方数据
．设计．计算．研究． 个Ｐｉｐｅｌ６单元．６个Ｃｏｍｂｉｎｌ４单元。
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。
本文链接：/Periodical_qcjs201001011.aspx
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｔａｔｉｃｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ＭｏｄａＩ ａｎａｌｙｓｉｓ
１前言
汽车排气系统的振动、噪声问题一方面影响 汽车的舒适性。降低汽车的品质．另一方面污染环 境…。车辆运行时．排气系统承受来自发动机的周期 动载荷．载荷引起排气系统振动从而影响系统结构 件以及吊挂件的疲劳寿命及可靠性．同时。周期振动 通过排气系统橡胶吊挂传递到车体．影响车身结构 的噪声振动平顺性（ＮＶＨ）性能指标。因此有必要对 排气系统振动特性进行分析与优化。
ｓｈａｃｋｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｅｖｅｎ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓａｔｉｓｌｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ＇ｓ ｅｘｈａｕｓｔ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｔ ｉｄｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｓｐｅｅｄ ｋｅｅｐｓ ｏｆｆ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
的小孔不考虑等。连接法兰和挂钩被假设与排气管 连接良好。采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５进行离散，同时在 建模过程中．使之实现与Ｓｈｅｌｌ６３单元节点的良好 耦合。
波纹管模型采用薄壁管单元来简化。在简化过 程中保证波纹管的长度、体积、质量、对轴线的转动 惯量、轴向以及周向的弹簧比率不变。从而得到与波 纹管对应的直壁薄管的参数：弹性模量、切变模量、 长度、内径和厚度｜２ｌ。同时薄壁管单元两段的节点与 两边主管上的节点实现耦合．考虑到橡胶特性的复 杂性，在对排气系统进行约束分析时。主要约束排气 系统与排气歧管相接触的法兰面．橡胶吊耳处则通 常简化成弹簧和阻尼．在局部坐标中给定刚度和阻 尼值１３１。
２有限元模型的建立
汽车排气系统通常主要包括主副排气消声器、 波纹管、法兰盘、挂钩、橡胶吊耳、主管和尾管。其前 端法兰盘通过螺栓与发动机刚性相连．中间法兰盘 通过螺栓将管道连接．挂钩处通过橡胶吊耳悬挂在 车厢底板平面上。
在对排气系统进行有限元建模时．采用壳体单 元Ｓｈｅｌｌ６３对排气管道和消声器进行网格离散。由 于消声器结构复杂．为了网格离散的方便，对其几 何结构有一定的简化：前后端面简化为平面；双层 壳体简化为层但保持总厚度不变：隔板、穿孔管上
．－——４１．．——
．设计．计算·研究．
图５排气系统不同阶次下约束模态的振整 通过排气系统的约束模态频率与路面激励、发 动机激励的对比，可以判断结构是否存在共振，分析 共振对整体噪声产生的影响，了解机械结构振动参 数，进而确定排气系统机械性能优化方向。本文主 要针对发动机排气激励进行分析。发动机排气的激 励频率［＝ｉｎ／３０ｒ，其中．ｉ为气缸数。ｎ为发动机曲轴 转速．ｒ为发动机冲程数。因此，可得发动机怠速
４结束语
建立ｒ某汽车排气系统有限兀模型．并进行了 静力学计算和模态分析。静力学计算结果表明，该 排气系统最大位移和最大应力以及各橡胶吊耳处的 最大受力均小于设计限值．满足静力载荷下的设计 要求。模态分析结果表明．怠速和经济转速下发动 机的排气激励频率避开了该排气系统的词有频率． 使得该系统具有较好的动态特性。
社．２００１． （责任编辑学林）
修改稿收到日期为２００９年１１月２６日。
汽车技术
汽车排气系统静力学计算及模态分析
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：
侯献军， 刘志恩， 颜伏伍， 刘庆， Hou Xianjun， Liu Zhien， Yan Fuwu， Liu Qing 侯献军,刘志恩,颜伏伍,Hou Xianjun,Liu Zhien,Yan Fuwu(武汉理工大学)， 刘庆,Liu Qing(河南机电高等专科学校)
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
按上述思路．采用专业的网格划分软件Ｈｙｐｅｒ－ Ｍｅｓｈ得到该排气系统的有限元网格模型．如图ｌ所 示，其橡胶吊耳处已于图中表明。该模型加载了相 应的材料属性和边界条件．材料属性见表１所列，边 界条件为发动机和橡胶吊耳的约束。在网格划分过 程中．为了保证其计算精度．对挂钩和管道的结合处 进行了网格细化．同时保证网格的均匀过渡．共得到 ８２ ３９６个Ｓｈｅｌｌ６３单元。３８ ３１９个Ｓｏｌｉｄ４５单元．２０
ｌ ８１．７８０
１０． ６１．７４８
３ １４．６５８
１ｌ ８４．７８９
４ １８．４１６
１２ ９３．６１９
５ １９．８２９
１３ １２３．６５０
６ ２７．１９３