某SUV排氣系統模態分析及吊掛位置優化研究

龔興旺 孫念芬 鄧磊 涂晴

摘 要：文章運用Hypermesh對某SVU排氣系統幾何模型進行合理簡化，建立CAE模型，分析排氣系統模態并與試驗結果對比，驗證CAE模型的準確性。在此基礎上根據排氣系統自由模態結果，計算各潛在吊耳位置點的模態位移，運用平均驅動自由度位移理論對排氣系統計算得到的各階模態位移進行加權疊加，求和后選取位移較小的位置點作為排氣吊耳潛在吊掛點。通過對排氣進行吊掛動態力對比分析，驗證吊掛位置的合理性。

關鍵詞：排氣系統;平均驅動自由度位移;吊掛位置優化;仿真

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-177-04

Abstract： Exhaust system CAE model was built through the Hyperworks software， Analyze the normal modes and compare to the test result， verify the correctness of the CAE model. The ADDOFD method was used to obtain the potential hanger location. Hanger force was calculated to verify the approach.

Keywords： Exhaust system; ADDOFD; Hanger location optimize; Simulation

前言

影響汽車NVH的因素有很多，其中排氣系統是一個主要的激勵源，排氣系統熱端直接通過法蘭連接在發動機上，冷端大都是通過吊鉤加橡膠吊耳連接在車身或車架上，熱端與冷端之間通過波紋管相連。排氣系統在工作過程中，不僅受到發動機的激勵，排氣系統本身的脈沖振動及氣流沖擊也會產生較大的能量。這些振動能量通過橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板，引起車身振動并產生車內噪聲[1-2]，直接對對車內的NVH有貢獻，影響駕駛員及乘客的感觀。因此，非常有必要在設計前期就對排氣系統進行設計優化，以減小排氣系統傳遞到車身及車架上的力，從而優化車內NVH。

應用先進的計算機輔助工程（CAE）的手段是一種非常有效的優化排氣系統設計的方法。本文對某SUV車型排氣系統進行模態分析，并與試驗結果對標，驗證仿真模型的準確性，在此基礎上，對排氣吊掛位置進行研究，選取吊鉤最優位置，可以在設計初期得到排氣系統的固有特性，同時可以預測排氣系統的振動特性，發現潛在的問題并進行優化，降低風險，同時有助于在樣車出來后，對排氣系統相關問題進行整改優化。

1 理論

1.1 模態振動理論

ADDOFD（j）可獲得某個自由度在一般激勵情況下的（在某個頻率范圍內所有模態均被激發）的位移響應的相對大小，以此對排氣系統吊耳的懸掛點位置進行優化選擇。

2 建立排氣系統CAE仿真模型

汽車排氣系統的零件很多，一般包括：熱端和冷端，熱端主要包括：排氣管、三元催化器和連接法蘭;冷端主要包括：主（副）消聲器、橡膠吊耳、吊鉤、排氣管、連接法蘭。

2.1 各元件的簡化模擬

對于三元催化器的處理，有兩種方式：1、劃分詳細的三元催化器網格及內部結構;2、直接將內部結構簡化成質量點，通過剛性單元連接至三元催化器外表面。

消聲器內部結構的復雜，如果有內部結構，可完全采用網格劃分;如未提供則須簡化，先對消聲器的外殼進行網格劃分，再進行質量模擬。

波紋管的結構較為復雜，可以簡化為彈簧單元，在Hyper -work軟件中，可以直接用六方向的彈簧（cbush）單元模擬分析，注意該彈簧單元需在合適的局部坐標系內。

對于吊耳的處理，與波紋管類似，采用零長度的彈簧單元模擬，并給定初始設計的剛度值。

2.2 排氣系統 有限元模型的建立

從設計人員處得到排氣系統總成的CAD數據，并進行幾何清理，清理完后，對排氣系統進行網格劃分，網格尺寸建議7-10mm，網格質量要求需滿足通用的標準。對排氣系統各零件進行連接，同時對各零件設定好相應的材料及屬性類型，建立的排氣系統模型如圖1所示。其中H1-H5為排氣工程師提供的初始吊掛位置點。

3 排氣系統模態分析與試驗對標

3.1 排氣系統固有特性分析

對已完成的排氣系統有限元模型進行自由模態分析，得到排氣系統各階模態頻率。如表1所示。

3.2 排氣系統模態試驗

利用LMS數據采集系統測試排氣系統的約束模態，該測試在江西省汽車噪聲與振動重點實驗室完成。排氣系統的約束模態實驗采用單點激勵、多點響應的隨機激勵法，通過獲取激勵點和各響應點之間的傳遞函數來識別排氣系統的固有頻率和模態振型[2]。在排氣系統的波紋管后位置、排氣管中間、排氣尾管靠近尾管口位置各布置一個傳感器，然后在每個測點處用力錘進行激振，依次完成每個測點的激勵測試，如下圖2所示。

從表2 可以看出：排氣系統CAE分析計結果與試驗結果的結果差距較小，仿真與測試的排氣系統模態頻率誤差小于8%，仿真結果置信度較高。可使用該排氣系統的有限元模型進行后續的仿真分析。

4 對吊掛位置進行優化

排氣系統吊掛位置對于排氣系統傳遞到車內的振動大小有直接影響，選擇整個排氣系統振動位移最小的位置作為潛在吊掛位置，再結合布置、制造及強度耐久的可行性最終選擇吊掛位置。

從部分排氣系統自由模態位移云圖中可以得出，不同模型頻率下，排氣系統各點的位移均不相同，因此下一步將運用平均驅動自由度法進行加權位移計算。

發動機的工作轉速一般在6000r/ min 以下，對應的激勵頻率在200HZ以下;以某SUV車型為例，通過查看應變能大小和振型判斷20HZ以內為剛體模態;所以在定義模態時，可設定頻率范圍為20～200HZ。

利用Nastran 計算排氣管系統的自由振動模態，將振型中這些位置的位移進行計權累加，構成加權振型指示位移，取加權振型指示位移較小者作為潛在布置位置[3]，兼顧工程化布置空間限制，故推薦吊掛布置位置如下圖中綠圈內位置或滿足布置條件的盡可能接近圖4綠圈附近。

5 吊掛位置點優化合理性驗證

5.1 排氣系統靜力分析

完成排氣系統的懸掛點設計后，可以通過靜力分析來預測整個系統在重力作用下的應力分布以及各懸掛點的載荷分布[6]。各吊掛點最大位移為1.35mm，各吊掛點受力情況如表4所示。

從排氣系統的靜態分析結果來看：

（1）優化吊掛位置后，各點的位移滿足目標（<3mm）要求;

（2）優化吊掛位置后，各吊掛點的受力更均勻。

5.2 排氣系統模態分析

根據模態分離原則，排氣系統的模態需與發動機怠速的主要階次激勵頻率避開3Hz以上，從而降低車輛在怠速時的振動。

該SUV的發動機為4沖程4缸柴油機，怠速轉速為800rpm，故對應的需避開的發動機主要階次（2、4、6）激勵頻率為26.7Hz、53.4 Hz、80. 1Hz。

對吊掛位置優化后的排氣系統進行了約束模態分析，得到的結果如表5所示：

從排氣系統的模態分析結果來看：

（1）吊掛位置優化后，排氣系統的各階模態與發動機2、4、6階激勵頻率避開3Hz以上，滿足模態分離原則;

（2）排氣系統的模態密度未發生變化。

5.3 排氣系統動態受力分析

排氣在工作過程中，通過橡膠吊掛和吊掛傳遞給車身底板，從而引起一定的車內噪聲，因此通過分析吊掛傳遞到車體的動態力[4-5]，可以進一步說明吊掛位置的合理性。

對優化方案和原方案進行動態力對比分析，對比分析結果如下圖5所示。

從排氣系統的動態受力來看看：

（1）頻率為33HZ時，振動位移較大，優化方案效果明顯;

（2）各吊掛點傳遞的動態力更加均勻并滿足目標值。

6 結束語

（1）本文根據有限元理論，對排氣系統劃分網格，并對部分零件進行合理簡化，建立排氣系統有限元模型，進行模態頻率計算，并對排氣系統進行物理試驗，驗證了CAE模型的準確性;

（2）基于對標后的CAE模型，運用平均驅動自由度位移法計對該車型的排氣振動位移，根據位移結果對排氣吊掛位置進行優化，并結合工程可行性給出吊掛位置優化建議;

（3）通過對吊掛位置優化前后的排氣吊掛進行靜態、模態及動態力分析，對比原方案，各吊掛的受力更為均勻;各階模態滿足模態分離原則;各吊耳動態力較優化前有所降低，且均不超過目標值10N，優化效果明顯。

本文的研究能有效的得到排氣系統的固有特性，并在前期指導排氣系統的設計，能夠有效的降低排氣系統對車內噪聲與振動的影響，提升整車NVH性能。

參考文獻

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

[2] 徐獻陽.車輛排氣系統的模態分析及振動優化[M].上海交通大學，2008.

[3] 劉志恩，田靜，顏伏伍等.汽車排氣系統懸掛點布置研究[J].武漢理工大學學報， 2010， 32（6）：950-953.

[4] 上官文斌，黃志，賀良勇，段小成等.汽車排氣系統吊耳動剛度優化方法的研究[J].振動與沖擊，2010，29（1）：100-102.

[5] 侯路，王海波，譚偉等.汽車排氣系統動態響應特性及強度分析[J]. 汽車科技， 2012（6）：69-72.

[6] Shao Jianwang，Du Aimin，Jin Xiaoxiong.Research of Auto-motive Exhaust System Hanger Location[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC），September 3-5，2008，Harb-in， China.