某商用皮卡排氣系統力學性能仿真研究

金一煒

摘 要：文章采用ABAQUS和HyperMesh軟件，對某商用車皮卡排氣系統進行了CAE自由模態、約束模態和強度分析，多方面校核了排氣系統力學性能，結果顯示排氣系統避開了發動機怠速共振頻率，排氣系統支架最大應力小于材料屈服強度，滿足設計目標。

關鍵詞：皮卡;排氣系統;力學性能

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-121-03

Abstract： This paper uses ABAQUS and HyperMesh software to analyze the CAE free mode， constraint mode and strength of the exhaust system of a commercial vehicle pickup. The mechanical properties of the exhaust system are checked in many aspects. The results show that the exhaust system avoids the resonance frequency of the engine idling， and the maximum stress of the exhaust system bracket is less than the yield strength， which meets the design goal.

Keywords： Pick-up truck; Exhaust system; Mechanical properties

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-121-03

1 引言

隨著國家城市物流業快速發展和皮卡進城限制解禁，商用車皮卡銷量得到迅猛增長，而使用客戶對于整車舒適性、NVH性能要求也越來越高。排氣系統整車的重要組成部分，其主要由催化器轉化器、消聲器、排氣管、吊鉤等零部件組成，該系統發揮著降低噪聲、減少排放污染等作用，其性能優劣直接影響整車NVH性能[1-4]，故研究排氣系統力學性能指標具有重要的經濟和社會意義。

本文采用ABAQUS和HyperMesh軟件，對某商用車皮卡排氣系統進行了CAE自由模態、約束模態和強度分析，多方面校核了排氣系統力學性能，結果顯示排氣系統避開了發動機怠速共振頻率，排氣系統支架最大應力小于材料屈服強度，滿足設計目標。

2 排氣系統CAE模態分析

2.1 模態分析理論

結構系統固有模態頻率及振型是分析結構振動特性基礎，通過模態分析可確定結構的振動特性[5]。

2.3 排氣系統CAE自由模態分析

本文首先對排氣系統進行了自由模態分析，模型無約束，提取0-200Hz頻率振型，得到圖2的CAE分析結果，其中一階垂向彎曲模態頻率為3.5Hz，一階橫向彎曲模態為3.6Hz，該皮卡車型發動機怠速頻率25Hz，自由模態分析結果顯示避開了怠速共振帶，滿足目標。

2.4 排氣系統CAE約束模態分析

本文對排氣系統進行了約束模態分析，截取了車架縱梁部分結構，約束其全部自由度，邊界示意圖如圖3，截取頻率段與自由模態一致。

本文按照上述工況條件，得到圖4的排氣系統約束模態分析結果，一階橫向彎曲模態頻率為8.7Hz，一階垂向彎曲模態為9.1Hz，發動機怠速頻率為25Hz，約束模態分析結果顯示避開了怠速共振，滿足設計目標。

3 排氣系統CAE強度分析

本文對排氣系統進行了強度分析，邊界條件如圖5所示，約束動力總成及排氣吊耳車架側全部自由度，對模型分別施加X3g，Y3g和Z5g靜態加速度。

本文按照上述邊界條件，對排氣系統進行了CAE強度分析，得到圖6分析結果，X向3g工況下，排氣系統支架最大應力為60.2MPa，而在Y向3g工況下，排氣系統支架最大應力為85.3MPa，在Z向5g工況下，排氣系統支架最大應力為202.4MPa，匯總如表3，都小于材料屈服強度，滿足設計目標。

4 結論

本文基于Hyperworks和ABAQUS軟件，對某商用皮卡排氣系統進行了CAE自由模態、約束模態和強度CAE強度分析，CAE分析結果表明：

排氣系統一階垂向彎曲模態頻率為3.5Hz，一階橫向彎曲模態為3.6Hz，該皮卡車型發動機怠速頻率25Hz，自由模態分析結果顯示避開了怠速共振帶，滿足目標;

排氣系統約束狀態，一階橫向彎曲模態頻率為8.7Hz，一階垂向彎曲模態為9.1Hz，發動機怠速頻率為25Hz，約束模態分析結果顯示避開了怠速共振;

排氣系統在X3g，Y3g和Z向5g工況下，支架最大應力都小于材料屈服強度;

總體而言，排氣系統CAE驗證了其力學性能滿足設計目標，且最終路試通過。

參考文獻

[1] 劉志恩，伍楊民等.某乘用車排氣系統低背壓設計與優化[J].數字制造科學，2019，17（3），167-169.

[2] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 趙鳳啟.某乘用車排氣系統流場的分析研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[4] 劉向東.商用車儀表板橫梁模態分析與驗證[J].汽車科技，2015（7）： 16-19.

[5] 王巖.某商用車儀表板總成模態分析及優化設計[J].輕型汽車技術， 2011（12）：36-39.