某圓形消聲器模態及動力學有限元分析

王玉帥，樊文欣，李康

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

某圓形消聲器模態及動力學有限元分析

王玉帥，樊文欣，李康

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

針對某圓形消聲器筒體與進氣管接口處易發生斷裂的問題，運用有限元的方法對消聲器進行分析研究，并提出增加波紋管和支架及去掉支架上橡膠軟墊的改進方案。對比改進前后的消聲器模態分析和動力學分析結果。分析表明，改進措施是合理有效的，提高消聲器的工作可靠性。

消聲器；模態；動力學；有限元分析

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-43-03

前言

車輛在使用過程中，受發動機振動的激勵，發動機排出的氣體產生脈動壓力激勵和車架振動激勵等因素的影響，消聲器筒體和排氣管接口處易發生因疲勞而斷裂的故障【1-2】。消聲器在工作過程中受到來自不同方向的激勵中垂直方向的激勵主要是車輛行駛過程中來自路面的激勵和發動機的上下振動，左右方向激勵是由于轉彎和發動機扭轉力矩，前后方向的激勵來自于車輛的加速和制動。相對而言，垂直方向的激勵機會較多【3-5】。尤其當發動機的激勵頻率與消聲器總成的固有頻率相等或相近時，會造成消聲器總成在發動機激勵作用下發生共振，加大消聲器焊縫連接處應力集中，甚至導致消聲器斷裂。同時排氣系統的廢氣也會以脈沖壓力作用在排氣系統的管壁上，激發彈性構件發生振動。如果構件的固有頻率與氣體壓力的脈動頻率一致，將發生強烈共振導致消聲器斷裂。在消聲器的設計中，目前較多地關注消聲器的聲學指標和壓力損失指標，而對焊接處的疲勞強度與壽命考慮不多。本文針對某車型圓形消聲器筒體與進氣管接口處易發生斷裂的問題（如圖1），運用有限元法對消聲器的斷裂問題進行研究。

1、消聲器模型的建立與改進

根據消聲器的實際尺寸，采用三維軟件CATIA建立并裝配的消聲器實體模型如圖2中a圖所示，改進的消聲器模型如圖2中b所示，所做的改進為：在圖中A處增加波紋管且在B處增加支架，并去掉支架上橡膠軟墊。將改進前后的模型導入到Hypermesh軟件中，進行幾何質量分析與修整，網格劃分等。消聲器網絡模型如圖3 所示。消聲器模型材料屬性如表1。

表1 消聲器材料屬性

2、消聲器固有頻率計算分析

2.1 激勵頻率范圍

在進行模態分析時,首先要求出系統各階固有頻率和振型、模態質量或模態剛度等參數。消聲器振動結構可以離散成為有限個自由度的多自由度系統【6】。本文所研究的消聲器發動機所搭載的是6缸4沖程柴油機，發動機轉速一般在600～2200r/min，通過公式：

其中：

n----發動機轉速

i----發動機缸數

a----沖程系數，四沖程a取2，二沖程a取1。

計算得到發動機引起的振動頻率為30～110Hz，所以在30～110Hz內的激勵頻率與消聲器固有頻率相同時，消聲器產生共振，是消聲器損壞的主要原因。

2.2 消聲器固有頻率計算結果

通過模態分析軟件的計算分析，取改進前后的消聲器結構的前6 階（由于第7階固有頻率大于110Hz，所以不以考慮）模態進行對比，各階模態的固有頻率見表2。

表2 計算模態結果 單位：Hz

2.3 計算結果分析

由表2可知，消聲器的改進對其固有頻率的有所影響。改進前消聲器的4、5、6階固有頻率均在發動機振動激勵頻率范圍內，易引起消聲器的共振。改進后消聲器只有5、6階固有頻率在激勵的頻率范圍內，而且第6階固有頻率相對改動之前更靠近激勵頻率范圍的上線，降低了發動機在工作狀態下消聲器會產生共振的可能性。

3、消聲器動力學分析

3.1 動力學分析采用方法

對消聲器做出改進，不僅改變消聲器的固有頻率，降低共振的可能，還改變了在發動機的激勵下消聲器的響應。由于消聲器的損壞是在進氣管與消聲器筒體連接處的斷裂，故對消聲器的動力學分析，主要考慮對進氣管施加30～110Hz載荷后接口附近點的位移值，對比改進前后接口附近點的位移值變化。本文選取上（節點1327）、下（節點1745）、左（節點1308）、右（節點369）四點（如圖4）的位移值做比較。

3.2 動力學仿真結果分析

經過分析得出改進前后的消聲器進氣口4節點分別在x、y、z方向的的位移對比圖（由于篇幅限制，此處只給出上節點的位移對比圖）。圖中橫坐標表示激勵載荷的頻率（30～110Hz），縱坐標表示位移值的大小（單位：mm），綠色雙點劃線為改進后頻率響應曲線，紅色虛線為改進前頻率響應曲線。在節點的x、y、z各個方向上的位移值變化曲線上可以看出，改進后的消聲器在激勵頻率范圍內的最大振動位移值明顯減小，消聲器接口處在其激勵頻率為固有頻率時的振動位移值明顯改善。這樣，就減少了消聲器接口處因振動產生的破壞。

4、結論

本文針對某圓形消聲器筒體與進氣管接口處易發生斷裂的問題，運用有限元法對消聲器的斷裂問題進行研究。并提出增加波紋管和支架及去掉支架上橡膠軟墊的改進方案。對比改進前后的消聲器的固有頻率，表明改進后的消聲器固有頻率降低了在發動機正常激勵作用下消聲器發生共振的可能性。通過對比改進前后的接口處四個節點的響應位移值，可以看出改進后的消聲器在接口處的頻率響應明顯優于改進前的消聲器。分析表明，改進措施是合理有效的，提高消聲器的工作可靠性。

[1] 杜曉平，尤國權，劉安寧．運用CAE分析技術解決拖拉機消聲器斷裂問題[J]．農業裝備與車輛工程，2008，(8)：37-41．

[2] 聞邦春，劉樹英，陳照波，李鶴. 機械振動理論及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2009.5：278-281.

[3] 凌文曙. 基于ADAMS的消聲器振動耐久性分析[J]. 機械工程師，2008，（8）69-71.

[4] 李惠彬. 振動理論與工程應用[M]. 北京：北京理工大學出版社，2006.9，207-208.

[5] 朱品昌, 馬力. 轎車排氣管掛鉤剛度優化分析[J].計算機輔助工程, 2012,21 (2):18 -20.

[6] 王小燕，李志遠.某消聲器斷裂問題的研究[7].噪聲與振動控制，2011，31（2）：119-122.

The dynamics and modal finite element analysis of a circular muffler

Wang Yushuai, Fan Wenxin, Li Kang
（College of Mechanical & Power Engineering, The North University of China, Shanxi Taiyuan 030051）

Aiming at the problem of fatigue fracture at the welding between muffler cylinder and inlet pipe, the finite element method are used to analyze the cracked muffler. An improvement scheme of increasing bellows and bracket and removing the rubber cushioned is proposed. Meanwhile the modal and dynamic analyses are done for the muffler before and after the improvement. Results of analysis show that the improvement measures are reasonable, and the reliability of the muffler is raised.

Muffler；Modal；Dynamic；Finite element method

U463.6

A

1671-7988(2015)01-43-03

王玉帥，碩士研究生，就讀于中北大學機械與動力工程學院，主要研究方向車輛振動與噪聲。