汽車排氣系統總成模態分析

王帥 杜長遠 楊蓓

摘 要

汽車排氣系統的振動對汽車舒適性和排氣系統壽命有重要的影響，文章利用SolidWorks軟件建立某轎車排氣系統的裝配體模型，利用HyperMesh和ANSYS聯合仿真有限元分析方法，對汽車排氣管后消聲器總成模型進行模態分析。通過模態分析結果，分析汽車排氣系統振動頻率及危險位置，分析結果對相關排氣系統后消聲器總成設備進行優化設計有指導意義。

關鍵詞

汽車排氣系統;模態分析;有限元方法

中圖分類號： U464.134.4? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.018

Abstract

The vibration of the cars exhaust system has an important influence on the 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 exhaust system. The modal analysis of the rear exhaust muffler assembly model of the automobile exhaust pipe is carried out by Hyper Mesh and ANSYS joint simulation finite element analysis.Through the modal analysis results， the frequency and dangerous position of the vehicle exhaust system vibration are analyzed.The analysis results have important guiding significance for the design of the exhaust muffler assembly exhaust system.

Key Words

Vehicle exhaust system;Modal analysis;Finite element method

0 引言

隨著汽車行業的高速發展，汽車輕量化是主要發展方向之一[1]，除了汽車的安全性，汽車的舒適性也越來越受到重視。整個汽車系統中，排氣系統對汽車整體NVH性能起著重要作用[2]。排氣系統的一端通過進氣管與發動機相連，經過前消聲器、中間排氣管道以及后消聲器完成排氣處理，另一端通過掛鉤與車體相連，是汽車重力總成振動激勵傳遞到車身的重要途徑[3]。因此，在整車設計初期都會對計算排氣系統的固有頻率并對其振動進行優化，以減少車身振動、噪聲水平以及增加使用壽命等，是排氣系統設計時需要重點關注的方面。

文章根據企業提供的數據資料使用Solidworks3D軟件建立的排氣系統的幾何模型，利用分析軟件Hyper Mesh進行模型的前處理，最后利用ANSYS軟件求出排氣系統的各階頻率。通過模型固有頻率結果，避免排氣系統與發動機激勵頻率產生共振或諧共振，為結構的改進提供科學的依據，提高其性能并延長其壽命，進而提高整車的NVH性能。

1 ANSYS有限元分析理論

1.1 有限元分析基本理論

有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

1.2 ANSYS有限元分析軟件

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。

2 建立幾何模型

排氣系統主要由催化器帶排氣管總成，前消聲器總成，中段排氣氣管總成，后消聲器總成部分組成。各段之間通過法蘭和螺栓連接，并通過掛鉤合件與車體連接在一起。本文根據企業提供的數據，利用三維軟件solidworks建立汽車排氣系統的三維模型，并根據有限元計算要求并保持其力學性能不變的情況下對模型結構進行簡化。

（1）將后消聲器上邊緣的翻邊工藝結構簡化，有利于模型的建立并降低網格劃分的難度。

（2）假設排氣系統整體的壁厚都相等，在HyperMesh中利用抽中面的方法對模型進行再處理，用等厚度的殼單元（shell181單元）代替實體建模，以便高質量劃分網格并有效減少網格數量。

（3）利用beam188單元定義焊點來處理模型之間的焊接部分。

3 排氣系統的模態分析

3.1 模態分析理論

模態是機械結構的固有特性。彈性系統的各階模態都有其固有頻率、阻尼比和振型。獲得結構的模態參數對評價該結構的動態特性及其優化設計有著重要意義[4]。模態分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為理論模態分析;如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，稱為試驗模態分析。本文對汽車排氣系統的模態分析是利用理論模態分析的方法[5]。

3.2 有限元模型的建立

利用有限元前處理軟件HyperMesh對建立的三維模型進行處理以便建立能在ANSYS處理軟件中方便計算的有限元模型。排氣系統有限元模型的材料屬性見表1。

3.3 排氣系統模態分析

后消聲器系統的一端通過中間管與前消聲器總成進而與發動機的排氣總管相連，所以將該端面設置為固定約束，另外的一端則主要通過吊耳懸掛在車輛底盤的下方。排氣系統前段設置為固定約束，并約束各吊耳與車身側連接點的六個自由度。

對振型圖進行分析：

（1）由一階振型圖可以看出基頻狀態下，排氣系統的最大的位移集中在排氣系統的左右尾管位置，殼體位移集中在殼體縱向槽體結構和橫向槽體結構的結合處附近，主要原因在于排氣系統一端通過中間管與前消聲器總成進而與發動機的排氣總管相連，將該端面設置為固定約束，另外的一端則主要通過吊耳懸掛在車輛底盤的下方。結合實際情況考慮，理論分析出的結果與實際情況相符合。

（2）對比1、2、3階陣型圖，可以看出在頻率超出基頻（302. 929Hz）一定頻率范圍（375.546Hz-397.539Hz）內，位移分布均勻，最大位移仍集中在左右尾管位置，但是未出現位移特別大的危險位置，且由振型圖中可以看出在此頻率范圍內殼體的基本不會出現變形和位移。

（3）對比分析1-6階陣型圖并結合前四階振型圖我們可以看出，在低頻時危險位置集中在排氣系統的左右尾管處，在高頻情況下危險位置均出現在系統大型結構殼體結構處，隨著頻率增大出現危險位置的移動，出現這種情況原因在于路面激勵通過車身傳遞給排氣系統時要經過起隔振作用的橡膠件，振動會大大減小。在低頻時振動沖擊小，危險位置出現在系統中小體積連接結構這易發生振動的位置，在高頻范圍內，振動沖擊變大，系統中大體積承載結構成了主要承受振動并表現出變形的構件。

4 結論

文章采用Hypermesh和ANSYS軟件相結合，對某款汽車的排氣系統進行有限元模態分析，得到排氣系統約束模態振型，及排氣系統固有模態和不同頻率情況下振型圖，從而確定不同頻率下結構危險位置對排氣系統的設計有著參考價值。模態分析結果對排氣系統后消聲器總成進行離散-連續拓撲優化提高合件性能有重要指導意義。

參考文獻

[1]何健，范軍鋒，黃偉科，馮奇，凌天鈞.鋼結構車身的輕量化研究[J].汽車工藝與材料，2012（01）：11-16.

[2]吳超.汽車座椅舒適性的技術研究[J].現代制造技術與裝備，2019（04）：115-116.

[3]張榮榮，陳華全，劉鳳琴.汽車排氣管總成仿真建模及對標[J].2013中國汽車工程學會年， 2013（11）.

[4]陳健，付燕鵬，譚敦松，李連好，盛勇生，邢號彬.基于試驗與模態分析的尾門抖動問題研究與優化[J].上海汽車，2017（06）：16-19.

[5]李長玉，王麗.模態分析方法在汽車排氣系統振動研究中的應用[A].機械設計與制造工程，2015（04）.