基于ANSYS 的汽車排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

何云飛，唐嵐，江昊

（610039 四川省 成都市 西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院）

0 引言

伴隨汽車行業(yè)和物流業(yè)的飛快發(fā)展，中重型車輛保有量在逐漸增加，同時(shí)，汽車尾氣污染和噪聲污染也在逐漸增多，大大增加了城市環(huán)境治理的難度，在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，對汽車排氣系統(tǒng)的優(yōu)化就顯得尤為重要。但是，在汽車設(shè)計(jì)過程中，排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及在整車上的布置等大多都只是根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單的定性分析。

本文利用有限元分析方法對汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。有限元分析方法的基本思想是離散化且它建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)上，對復(fù)雜的幾何構(gòu)形和各種物理問題都相適應(yīng)，是工程應(yīng)用中的可靠工具，通過模態(tài)分析可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)[1]。本次排氣系統(tǒng)分析是以某中型汽車原裝排氣系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在保證排氣管道整體尺寸和結(jié)構(gòu)相同的條件下，應(yīng)用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)得出方案1 管道直徑為80 mm 和方案3 保持原裝主體管道100 mm 的直徑不變，在進(jìn)口第1 個(gè)彎道后20 mm 處，將管道直徑由100 mm 漸變到90 mm，再漸變回100 mm，到消聲器前200 mm處結(jié)束漸變，方案2 為原始數(shù)據(jù)即管道直徑為100 mm，將3 種方案建立模型并進(jìn)行模態(tài)分析，通過ANSYS Workbench 軟件分析的結(jié)果判斷排氣系統(tǒng)的優(yōu)劣，為汽車減噪設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 建立排氣系統(tǒng)有限元模型

1.1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某中型車排氣系統(tǒng)的主要作用是利用最小流動(dòng)阻力，把發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的廢氣排除，降低缸內(nèi)壓力，有利于混合氣的正常燃燒[2]。該車排氣系統(tǒng)組成包括排氣管、排氣制動(dòng)閥、波紋管和消聲器，排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

1.2 排氣系統(tǒng)的模型建立

以某中型車輛的排氣系統(tǒng)為本次研究對象，對柴油機(jī)和排氣系統(tǒng)一維建模，通過GT-POWER軟件分析得出管道直徑為80 mm 的排氣系統(tǒng)優(yōu)于原裝管道直徑為100 mm 的排氣系統(tǒng)，故將管道直徑為80 mm 的排氣系統(tǒng)定為方案1，將原裝管道直徑為100 mm 的排氣系統(tǒng)定為方案2，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了方案4，即保持原裝主體管道100 mm 的截面直徑不變，在進(jìn)口第1 個(gè)彎道后20 mm 處將管道截面直徑設(shè)置為100 mm 漸變到90 mm，再漸變回到100 mm，直至到消聲器前200 mm 處[3-5]。

圖1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of exhaust system structure

應(yīng)用SolidWorks 搭建3 種不同截面直徑排氣系統(tǒng)的簡化三維模型，如圖2 所示。

圖2 簡化后排氣系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of simplified exhaust system pipeline structure

（a）方案1 排氣系統(tǒng)管道截面直徑80 mm（b）方案2 排氣系統(tǒng)管道截面直徑100 mm（c）方案3 排氣系統(tǒng)管道截面直徑漸變

2 排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

對于一個(gè)n 自由度線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為[6]

式中：M——質(zhì)量矩陣；C——阻尼矩陣；K——系統(tǒng)的剛度矩陣。X——系統(tǒng)的位移向量；F——激勵(lì)力向量，分別表示為

因?yàn)榕艢庀到y(tǒng)中結(jié)構(gòu)阻尼影響較小，所以在分析時(shí)阻尼可以忽略不計(jì)，由式（1）可得：

模態(tài)分析中，振動(dòng)模態(tài)ωi 和模態(tài)Φi提取的數(shù)學(xué)模型[1]為

2.2 前處理

2.2.1 材料設(shè)置

排氣系統(tǒng)管道所用材料為ss304 不銹鋼，其厚度為1 mm，具體的材料性能參數(shù)如表1 所示。

表1 管道材料性能Tab.1 Pipeline material properties

2.2.2 排氣系統(tǒng)管道的網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench 中有可靠的網(wǎng)格劃分工具以及友好的界面設(shè)置，提高了設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本以及設(shè)計(jì)周期[7]。本文使用ANSYS Workbench 軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具對排氣系統(tǒng)的3 種方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于這3 種方案的外形結(jié)構(gòu)和總體尺寸相同，所以劃分的方法相同，它們的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)相差不大。如圖3 展現(xiàn)了第3 種方案的效果圖，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為135 239，單元數(shù)為67 403。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing

2.2.3 邊界約束

排氣系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其一端由法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，在消聲器處使用支架固定在底盤下方，與發(fā)動(dòng)機(jī)接觸部分使用全約束處理，消聲器上支架處使用彈性約束處理。

2.3 后處理

本次模態(tài)分析采用Block Lanczos 法，該方法對剛體振型結(jié)構(gòu)的處理效果好，常用于實(shí)體單元或殼單元的結(jié)構(gòu)模型，有無初始截?cái)帱c(diǎn)都同樣有效，對于提取50～100 個(gè)自由度的中大型模型的大量振型，這種方法很有效[8]。

在ANSYS Workbench 中分析的階數(shù)由原來的6 階擴(kuò)展到了12 階，本文提取了3 種方案的排氣系統(tǒng)在自由狀態(tài)下和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析。表2 所示為在無約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率；約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率如表3 所示。

表2 無約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率Tab.2 Modal frequencies in unconstrained states

（續(xù)表）

表3 約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率Tab.3 Modal frequencies in constrained states

對比表2 和表3，挑選在約束狀態(tài)下排氣系統(tǒng)管道的截面直徑漸變的1，3，5，7，9，11 階的振型圖如圖4 所示。

對比3 種方案的自由模態(tài)和約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率以及振型圖可以看出，排氣系統(tǒng)的表現(xiàn)多為擺動(dòng)和彎曲，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣激勵(lì)分析。

圖4 截面直徑漸變管道振型圖Fig.4 Vibration mode diagram of section diameter gradient pipeline

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣激勵(lì)頻率[9]

式中：i——?dú)飧讛?shù)；n——曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；τ——發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)；f ——發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。

根據(jù)表4 濰柴動(dòng)力WP6.240 的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過式（4）可以計(jì)算得出汽車在額定功率下的激勵(lì)頻率為115 Hz，工況在最大扭矩下的激勵(lì)頻率為60～90 Hz。

表4 濰柴動(dòng)力WP6.240（二代）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.4 Weichai WP6.240 power engine parameters

如圖5 所示，通過對約束狀態(tài)下12 階的模態(tài)頻率對比可知，在消除共振和噪音的功能上，在額定功率下截面直徑為80 mm 的排氣系統(tǒng)更具有優(yōu)勢；在最大扭矩下，截面直徑在90～100 mm漸變的排氣管更具優(yōu)勢。

圖5 模態(tài)頻率折線圖Fig.5 Modal frequency line graph

通過上述分析得出不同使用工況下的車輛，在排氣過程中，合理改變不同部位的管道截面直徑大小，可以有效改善排氣系統(tǒng)的性能。

3 結(jié)論

在降噪減振方面，管道直徑80 mm 較其他兩種方案更具有優(yōu)勢，而在大扭矩下,則是采用管道直徑漸變的排氣系統(tǒng)更好，對于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，好的排氣系統(tǒng)管道對排氣系統(tǒng)背壓、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能都能很好地提升，同時(shí)在全球車企往車輛輕量化研發(fā)的大環(huán)境下，汽車排氣系統(tǒng)的改進(jìn)不僅有助于汽車輕量化，也將會(huì)對環(huán)境治理提供助力，但是目前人們對于車輛的使用目的不同，僅憑上述對單一實(shí)驗(yàn)對象的研究結(jié)果還無法廣泛應(yīng)用于不同的使用需求，因此還需要對更多的車輛進(jìn)行分析，以完善實(shí)驗(yàn)結(jié)果。