汽車排氣系統(tǒng)總成模態(tài)分析

王帥 杜長(zhǎng)遠(yuǎn) 楊蓓

摘 要

汽車排氣系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)汽車舒適性和排氣系統(tǒng)壽命有重要的影響，文章利用SolidWorks軟件建立某轎車排氣系統(tǒng)的裝配體模型，利用HyperMesh和ANSYS聯(lián)合仿真有限元分析方法，對(duì)汽車排氣管后消聲器總成模型進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果，分析汽車排氣系統(tǒng)振動(dòng)頻率及危險(xiǎn)位置，分析結(jié)果對(duì)相關(guān)排氣系統(tǒng)后消聲器總成設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞

汽車排氣系統(tǒng);模態(tài)分析;有限元方法

中圖分類號(hào)： U464.134.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化是主要發(fā)展方向之一[1]，除了汽車的安全性，汽車的舒適性也越來(lái)越受到重視。整個(gè)汽車系統(tǒng)中，排氣系統(tǒng)對(duì)汽車整體NVH性能起著重要作用[2]。排氣系統(tǒng)的一端通過(guò)進(jìn)氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，經(jīng)過(guò)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(guò)掛鉤與車體相連，是汽車重力總成振動(dòng)激勵(lì)傳遞到車身的重要途徑[3]。因此，在整車設(shè)計(jì)初期都會(huì)對(duì)計(jì)算排氣系統(tǒng)的固有頻率并對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，以減少車身振動(dòng)、噪聲水平以及增加使用壽命等，是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。

文章根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)資料使用Solidworks3D軟件建立的排氣系統(tǒng)的幾何模型，利用分析軟件Hyper Mesh進(jìn)行模型的前處理，最后利用ANSYS軟件求出排氣系統(tǒng)的各階頻率。通過(guò)模型固有頻率結(jié)果，避免排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率產(chǎn)生共振或諧共振，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供科學(xué)的依據(jù)，提高其性能并延長(zhǎng)其壽命，進(jìn)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(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)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(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的滿足條件，從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)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(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)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(lái)，也可將計(jì)算結(jié)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(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。

2 建立幾何模型

排氣系統(tǒng)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(guò)法蘭和螺栓連接，并通過(guò)掛鉤合件與車體連接在一起。本文根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，利用三維軟件solidworks建立汽車排氣系統(tǒng)的三維模型，并根據(jù)有限元計(jì)算要求并保持其力學(xué)性能不變的情況下對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（1）將后消聲器上邊緣的翻邊工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有利于模型的建立并降低網(wǎng)格劃分的難度。

（2）假設(shè)排氣系統(tǒng)整體的壁厚都相等，在HyperMesh中利用抽中面的方法對(duì)模型進(jìn)行再處理，用等厚度的殼單元（shell181單元）代替實(shí)體建模，以便高質(zhì)量劃分網(wǎng)格并有效減少網(wǎng)格數(shù)量。

（3）利用beam188單元定義焊點(diǎn)來(lái)處理模型之間的焊接部分。

3 排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特性。彈性系統(tǒng)的各階模態(tài)都有其固有頻率、阻尼比和振型。獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要意義[4]。模態(tài)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為理論模態(tài)分析;如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。本文對(duì)汽車排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析是利用理論模態(tài)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(duì)建立的三維模型進(jìn)行處理以便建立能在ANSYS處理軟件中方便計(jì)算的有限元模型。排氣系統(tǒng)有限元模型的材料屬性見(jiàn)表1。

3.3 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

后消聲器系統(tǒng)的一端通過(guò)中間管與前消聲器總成進(jìn)而與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣總管相連，所以將該端面設(shè)置為固定約束，另外的一端則主要通過(guò)吊耳懸掛在車輛底盤的下方。排氣系統(tǒng)前段設(shè)置為固定約束，并約束各吊耳與車身側(cè)連接點(diǎn)的六個(gè)自由度。

對(duì)振型圖進(jìn)行分析：

（1）由一階振型圖可以看出基頻狀態(tài)下，排氣系統(tǒng)的最大的位移集中在排氣系統(tǒng)的左右尾管位置，殼體位移集中在殼體縱向槽體結(jié)構(gòu)和橫向槽體結(jié)構(gòu)的結(jié)合處附近，主要原因在于排氣系統(tǒng)一端通過(guò)中間管與前消聲器總成進(jìn)而與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣總管相連，將該端面設(shè)置為固定約束，另外的一端則主要通過(guò)吊耳懸掛在車輛底盤的下方。結(jié)合實(shí)際情況考慮，理論分析出的結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

（2）對(duì)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(nèi)，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(xiàn)位移特別大的危險(xiǎn)位置，且由振型圖中可以看出在此頻率范圍內(nèi)殼體的基本不會(huì)出現(xiàn)變形和位移。

（3）對(duì)比分析1-6階陣型圖并結(jié)合前四階振型圖我們可以看出，在低頻時(shí)危險(xiǎn)位置集中在排氣系統(tǒng)的左右尾管處，在高頻情況下危險(xiǎn)位置均出現(xiàn)在系統(tǒng)大型結(jié)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)處，隨著頻率增大出現(xiàn)危險(xiǎn)位置的移動(dòng)，出現(xiàn)這種情況原因在于路面激勵(lì)通過(guò)車身傳遞給排氣系統(tǒng)時(shí)要經(jīng)過(guò)起隔振作用的橡膠件，振動(dòng)會(huì)大大減小。在低頻時(shí)振動(dòng)沖擊小，危險(xiǎn)位置出現(xiàn)在系統(tǒng)中小體積連接結(jié)構(gòu)這易發(fā)生振動(dòng)的位置，在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)沖擊變大，系統(tǒng)中大體積承載結(jié)構(gòu)成了主要承受振動(dòng)并表現(xiàn)出變形的構(gòu)件。

4 結(jié)論

文章采用Hypermesh和ANSYS軟件相結(jié)合，對(duì)某款汽車的排氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到排氣系統(tǒng)約束模態(tài)振型，及排氣系統(tǒng)固有模態(tài)和不同頻率情況下振型圖，從而確定不同頻率下結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置對(duì)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著參考價(jià)值。模態(tài)分析結(jié)果對(duì)排氣系統(tǒng)后消聲器總成進(jìn)行離散-連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化提高合件性能有重要指導(dǎo)意義。

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