某轎車排氣系統模態分析及動態特性評價

顧燦松，董俊紅，陳智偉

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

0 引言

汽車排氣系統具有排除發動機燃燒產生的廢氣以及減少排氣噪聲的作用。汽車排氣系統所受的激勵主要為發動機運行激勵以及路面不平度激勵。在設計排氣系統時不僅需要進行靜態受力的分析和計算，還要進行動態特性分析和評價。越來越多的研究人員對汽車排氣系統進行了動態特性分析和評價。

2012年卞信濤利用Altair/HyperMesh軟件建立了某排氣系統的有限元模型，分析了吊耳位置對該排氣系統動態特性的影響[1]。陸宏偉等利用有限元分析軟件分析了某柴油機汽車排氣系統的動態特性，找出了其動態特性設計中的薄弱環節[2]。2013年黃華等人利用GT-Power軟件建立了某轎車排氣系統的有限元模型，針對排氣的氣流特性研究其動態特性[3]。2014年朱峰等人利用HyperMesh和Workbench軟件計算得到了某轎車排氣系統的固有頻率和振型，為排氣系統的動態特性設計提供了依據[4]。雷剛等人利用實驗和計算相結合的方法分析了某轎車排氣系統的各階模態，優化了該排氣系統的吊耳位置[5]。劉志恩等分析了某轎車排氣系統在冷熱情況下的模態，研究了螺栓預緊力等對其模態參數的影響[6]。2015年，唐慶偉等從能量耦合的角度對汽車排氣系統進行了模態分析，得到了固有頻率和耦合能量的分布圖，為排氣系統動態特性設計提供了參考[7]。2016年，慈龍尚等在考慮動態特性的情況下對某重型卡車的排氣系統進行了分析和設計[8]。戰申等人利用計算和分析相結合的方法進行了某轎車排氣系統的動態特性優化[9]。

作者針對某轎車排氣系統，利用三維建模軟件建立了實體模型，并利用有限元分析軟件分析了其前5階約束模態，根據計算所得的模態參數對該排氣系統進行了動態特性評價。

1 排氣系統模型的建立

所研究的排氣系統實物如圖1所示。該排氣系統主要有兩級消聲器，主消聲器和副消聲器，其內部有管片交錯的消音裝置。另外有起到連接作用的1、2、3號管，和三元催化轉化器出口相連的連接法蘭，連接副消聲器和2號管的連接件，補償排氣系統相對跳動的波紋管。排氣系統在汽車上裝配時連接法蘭和三元催化轉化器相連接為固定約束，2號管圖示位置通過吊耳和彈性元件連接為彈性約束，副消聲器和3號管圖示位置通過吊耳和彈性元件連接為彈性約束。

排氣系統結構較為復雜，如果直接用有限元軟件進行建模較為困難且容易導致建立的模型不夠準確。作者利用三維建模軟件CATIA進行建模。因排氣系統主消聲器、副消聲器的翻邊工藝對動態特性分析影響較小，在建模時將其忽略，在建模時采用單個零部件單獨建模后進行裝配的方式進行。所建立的排氣系統實體模型如圖2所示。

圖1 排氣系統實物及約束情況

圖2 排氣系統實體模型

2 排氣系統模態分析及評價

2.1 排氣系統模態分析

將用CATIA軟件建立的排氣系統實體模型保存為stp格式后導入ANSYS有限元分析軟件，采用ANSYS軟件的窗口界面模式Workbench中的模態分析模塊。將幾何模型導入后需要先對其進行網格劃分，文中采用自動劃分網格的方式進行劃分。網格劃分一共得到50 034個節點、32 334個單元。劃分網格后需要設置計算所需要的物理參數。所研究的排氣管結構物理參數如表1所示。按照排氣系統在汽車上的裝配關系設置固定約束和彈性約束如圖1所示。

表1 排氣材料物理參數

設置計算的固有頻率最大值為80 Hz，在頻率范圍80 Hz以內一共可得到5階模態，前5階模態的各階固有頻率值如表2所示，各階振型圖如圖3—7所示。

表2 各階固有頻率

圖3為該排氣系統的第1階模態振型，可以看出：此時排氣系統1號管、主消聲器基本不變形，副消聲器和2號管繞Z軸擺動。

圖3 第1階模態振型

圖4為計算所得排氣系統第2階模態振型，此時主消聲器以及3號管、波紋管位置變化均不明顯，副消聲器和2號管變形較大，此階模態主要為副消聲器和2號管沿著Y軸的擺動。

圖4 第2階模態振型

圖5為計算所得排氣系統第3階模態振型?？梢钥闯觯捍藭r主消聲器以及3號管變化不明顯，1號管和2號管變動較大，此時整體看為整個消聲器沿著X軸的扭轉運動。

圖5 第3階模態振型

圖6為計算所得排氣系統第4階模態振型。可以看出：此時副消聲器變化不明顯，整體模態振型為2號管沿著Z軸的一階彎曲運動，1號管和波紋管有繞X軸轉動的趨勢。

圖6 第4階模態振型

圖7為計算所得排氣系統第5階模態振型?？梢钥闯觯捍藭r主消聲器和副消聲器變化均不明顯，1號管有一階彎曲的趨勢，2號管有沿Y軸上下擺動的趨勢。

圖7 第5階模態振型

2.2 排氣系統動態特性評價

文中所研究的排氣系統為直接四缸四沖程發動機。該發動機的激勵頻率可用下式表示：

(1)

其中：i為汽缸數；τ為沖程數；f為發動機的激勵頻率。

根據此公式可計算各共振頻率下發動機轉速如表3所示。

表3 固有頻率對應的發動機轉速

因該車型發動機的怠速轉速為800 r/min，和該排氣系統的前兩階模態固有頻率相差較遠，不會發生共振，但是第3、4、5階模態固有頻率對應的發動機轉速和該發動機怠速轉速以及常用轉速相近，所以有可能發生共振現象，可通過改變排氣系統結構或者改善懸置點的位置進行優化。

3 總結

利用CATIA軟件建立了某轎車排氣系統三維模型，結合排氣系統和車輛裝配關系以及排氣系統的材料屬性，利用ANSYS Workbench 對該排氣系統進行了約束模態分析，得到了該排氣系統前5階模態，并且根據測試的參數對排氣系統進行了動態特性評價。

參考文獻:

[1]卞信濤．排氣系統模態及振動響應分析[J]．機電技術，2012，35(1)：110-112．

[2]陸宏偉，季振林，孟瑞雪．柴油機排氣系統振動特性數值仿真與分析[J]．噪聲與振動控制，2012，32(3)：41-44．

LU H W,JI Z L,MENG R X.Numerical Simulation and Analysis of Vibration Characteristics for Diesel Engine Exhaust System[J].Noise and Vibration Control,2012，32(3)：41-44．

[3]黃華，倪計民，沈振華．基于流動過程的車用排氣系統優化與評價[J]．汽車工程學報，2013,3(2):119-124．

HUANG H,NI J M,SHEN Z H.Optimization and Evaluation on Exhaust System Based on Flow Process[J].Chinese Journal of Automotive Engineering,2013,3(2):119-124．

[4]朱峰，李書曉．基于Hypermesh和Workbench的排氣系統模態分析[J]．機械工程與自動化，2014(1)：62-64．

ZHU F,LI S X.Modal Analysis of Vehicle Exhaust System by Hypermesh and Workbench[J].Mechanical Engineering & Automation,2014(1)：62-64．

[5]雷剛，胡鵬，劉圣坤．汽車排氣系統模態分析及掛鉤位置優化[J]．內燃機工程，2014,35(2)：102-106．

LEI G,HU P,LIU S K.Modal Analysis and Hook Location Optimization of Passenger Car Exhaust System[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2014,35(2)：102-106．

[6]劉志恩，胡雅倩，顏伏伍，等．發動機排氣歧管熱模態分析及試驗研究[J]．汽車工程，2015(3)：359-365．

LIU Z E,HU Y Q,YAN F W,et al.Thermal Modal Analysis and Modal Tests of Engine Exhaust Manifold[J].Automotive Engineering,2015(3)：359-365．

[7]唐慶偉，高文杰，郭志強，等．汽車排氣系統模態與能量耦合分析[J]．農業裝備與車輛工程，2015，53(4)：11-13．

TANG Q W,GAO W J,GUO Z Q,et al.Analysis of Automobile Exhaust System Modal and Energy Coupling[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2015，53(4)：11-13．

[8]慈龍尚，陳剛，張輝．某款8×4重卡載貨車排氣系統的設計與分析[J]．汽車零部件，2016(10)：32-36．

CI L S,CHEN G,ZHANG H.Design and Analysis of a 8×4 Heavy Truck Exhaust System[J].Automobile Parts,2016(10)：32-36．

[9]戰申，宋曉琳，楊迪新，等．汽車排氣系統振動分析與優化[J]．機械設計，2016(1)：16-20．

ZHAN S,SONG X L,YANG D X,et al.Analysis and Optimization of Automotive Exhaust System Vibration[J].Journal of Machine Design,2016(1)：16-20．