基于有限元的汽車排氣系統吊鉤位移響應分析

郭學靜

摘 要：汽車排氣系統吊鉤的位移響應影響汽車的NVH特性，為了研究吊鉤的位移情況，采用Hypermesh和MSC.Nastran進行有限元網格構建并進行計算求解。基于模態的吊鉤位移分析很好的體現了不同頻率下的響應，通過平均驅動自由度位移（ADDOFD）方法能夠對排氣系統的吊鉤位置進行優化。計算仿真結果有效的輔助了排氣系統的設計，并縮短了整車的開發周期，所做的模態分析對試驗階段的耐久也具有重要的指導意義。

關鍵詞：位移響應 模態 平均驅動自由度位移

中圖分類號：TG386.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-02

汽車工業的發展給人們的生活帶來了前所未有的便捷和高效，然而隨著人們對舒適性要求的提高，對于整車開發的NVH特性有了更加嚴格的要求。其中振動特性引起了工業界和學術界的廣泛關注。該文通過有限元的方法，利用高效的網格處理工具Hypermesh和求解器MSC.Nastran，對排氣系統的NVH特性進行了評估，基于模態的吊鉤位移響應分析有效地反映了這一特性，同時能夠給出吊鉤的最佳布置位置，對整車開發具有強有力的支持和指導意義。

1 模態分析理論

模態分析是對系統動態特性的解析分析，結構的動態特性由模態參數來表示。模態參數可由系統的質量剛度矩陣的特征值（固有頻率）和特征向量（模態振型）來表示。系統對于任意激勵的響應，可視為系統各階固有振型按一定比例疊加的結果。各階振型在疊加中所占的比例，則由相應的模態值來決定。

振動系統的動力微分方程可以表示為

[M]{ü}+[M]{}+[K]{u}={F（t）}

[M]{ü}+[K]{u}={0}

式中，[M]，[C]，[K]分別表示為系統的質量、阻尼和剛度，矩陣，x表示位移向量，{F}為節點載荷向量。由于固有頻率和外載荷無關，當結構的阻尼較小時，阻尼對固有頻率的影響非常小，可以忽略，因此可以通過結構無阻尼的自由振動方程計算結構的固有特性。即，

（[K]-ω2[M]）{u}={0}

假定為諧運動

上面方程有非零解的條件為其特征方程為零，即

Det（[K]-ω2[M]）={0}

N自由度系統有N個固有頻率（共振頻率）與固有頻率對應的特征向量稱為模態形狀。該文采用有限元法。其基本思路是將連續系統分割成若干個微小單元，求解每個單元的近似解，再將所有單元按照標準方法加以組合從而形成原有系統的一個數值近似系統，即數值模型。

2 有限元模型的的建立

汽車排氣系統自排氣歧管出來后大致可分為，熱端總成，冷端總成，排氣尾管，其中，熱端總成與冷端一般通過撓性節連接，撓性節具有一定的柔性，通過調整其剛度可以改變排氣系統的整體受力情況。排氣系統通過發動機和吊鉤與汽車底盤連接，發動機的有限元模型可以相應簡化，發動機信息包含發動機質量，質心，轉動慣量及懸置的位置和剛度，吊鉤通過橡膠吊耳與底盤連接，某汽車排氣系統的具體有限元模型見圖1所示，所使用軟件為Hyperworks。

有限元參數輸入：

3 排氣系統吊鉤力及吊鉤分布的求解

發動機轉速范圍600～3000 Hz，相應頻率為20～100 Hz

輸入邊界條件：發動機懸置與所有吊鉤全約束

輸入激勵：發動機質心上輸入額定扭矩100 N/m，

應用有限元求解器 MSC.Nastran.

吊鉤力如圖2所示。

吊鉤分布云圖如圖3所示。

4 結語

該文對某車型的排氣系統進行了有限元分析，基于模態方法求解出了吊鉤力及吊鉤分布，其中在發動機轉速范圍內沒有出現很大的吊鉤力，吊鉤位置分布在位移響應較小的地方，從而預估了排氣系統對整車的NVH特性。

參考文獻

[1] 師漢民.機械振動系統-分析.測試.建模.對策[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[2] 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 楊萬里，陳燕，鄧小龍.乘用車排氣系統模態分析數值模型研究[J].三峽大學學報：自然科學版，2005，l（4）：345-347.

[5] Z.Junhong，H.Jun，CAE process to simulate and optimize engine noise and vibration.

[6] Mechanical Systems and Signal Processing.2006，20：1400-1409.

[7] 張光榮，于德介，姚凌云，等.發動機激勵引起的車內結構噪聲研究[J].噪聲與振動控制，2010（2）：44-47.

[8] 龐劍，汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京理工大學出版社，2006.