汽车排气系统静力学计算及模态分析

工程结构模态分析文献综述_______________________________________________________________________________________ 汽车排气总管的模态分析摘要：汽车排气总管是排气系统的重要部分。

采用有限元法分析排气对管壁的作用，确定排气总管的固有频率和振动模态。

为减小某轻型货车排气总管在发动机怠速情况下的振动，利用MSC/ NASTRAN有限元分析软件对其进行模态分析。

分析结果表明：怠速下发动机的激励频率与该排气总管的固有频率发生耦合，引起了共振。

针对实际生产情况，通过改进发动机与排气总管的连接方式改变了排气总管的固有频率，降低了振动。

关键词：排气总管；有限元法；模态分析；流固耦合0 引言汽车排气总管是发动机排气系统的重要部分。

其设计的好坏不但影响发动机的泵气损失及排放，而且还会引起噪声和振动。

对它进行流固耦合的静力分析和模态分析，其结果可用来防止排气总管因振动过大，导致破裂而漏气。

采用有限元法，在三维流场分析的基础上，把排气压力传递到排气管管壁上，分析排气压力作用的结果。

这种间接耦合，由于非线性程度不高，因而只进行单向耦合分析，而不考虑多次耦合的作用。

通过模态分析，能有效地了解排气管的振动情况，从而在适当的部位加以约束，减小其振动。

针对某改装轻型货车排气总管在发动机怠速下振动过大的现象，利用MSC/NASTRAN有限元分析软件计算排气总管的振动模态，找出故障原因并加以改进。

1 流固耦合分析流固耦合分析可采用顺序耦合和直接耦合的方法。

顺序耦合包括多个按一定顺序排列的分析，通过将前一个分析的结果作为载荷施加到后一个分析中的方式进行耦合。

直接耦合使用包含多场自由度的耦合单元，通过计算所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。

对于非线性程度不高的问题，顺序耦合法更灵活、更有效。

在多场问题中，顺序耦合分析是相对独立的，可以单向耦合，也可以双向耦合。

汽车排气系统总成模态分析王帅杜长远杨蓓摘要汽车排气系统的振动对汽车舒适性和排气系统寿命有重要的影响，文章利用SolidWorks软件建立某轿车排气系统的装配体模型，利用HyperMesh和ANSYS联合仿真有限元分析方法，对汽车排气管后消声器总成模型进行模态分析。

通过模态分析结果，分析汽车排气系统振动频率及危险位置，分析结果对相关排气系统后消声器总成设备进行优化设计有指导意义。

关键词汽车排气系统；模态分析；有限元方法中图分类号:U464.134.4文献标识码:ADOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.19.018王帅研究方向为机械设计制造及其自动化,上海市东方海事工程技术有限公司。

杜长远里海大学,研究方向为机械力学,上海市东方海事工程技术有限公司。

杨蓓上海电机学院,研究方向机械设计,上海市东方海事工程技术有限公司。

AbstractThe vibration of the car’s exhaust system has an important influence onthe 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 exhaustsystem.The modal analysis of the rear exhaust muffler assembly model ofthe automobile exhaust pipe is carried out by Hyper Mesh and ANSYSjoint simulation finite element analysis.Through the modal analysis results,the frequency and dangerous position of the vehicle exhaust systemvibration are analyzed.The analysis results have important guiding significance for the design of the exhaust muffler assembly exhaust system.Key WordsVehicle exhaust system;Modal analysis;Finite element method0引言随着汽车行业的高速发展，汽车轻量化是主要发展方向之一[1]，除了汽车的安全性，汽车的舒适性也越来越受到重视。

机电技术 2012年2月110作者简介：卞信涛(1987－)，男，工程师，研究方向：汽车噪声与振动。

排气系统模态及振动响应分析卞信涛(东南(福建)汽车工业有限公司研发中心，福建 福州 350119)摘 要：文章介绍利用Altair/HyperMesh 软件创建某排气系统有限元模型，运用MSC/Nastran 软件计算排气系统的约束模态，对约束模态分析的结果进行评价。

最后结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。

关键词：排气系统；模态；振动；频率响应分析中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-110-03动力总成作为车辆的主要振动激励源，其工作时产生的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车身，若吊耳位置及其性能匹配不佳，会导致较大的车身振动通过座椅、地板和方向盘直接传递给乘客，进而影响乘员舒适性。

所以，控制传递到车身上的力是排气系统振动控制的最主要目标之一。

本文对某排气系统约束模态分析的结果进行评价，结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。

1 排气系统模型创建图1 排气系统有限元模型图1为排气系统的有限元模型，以下是该模型的主要组成部分：动力总成部分：动力总成(包含排气歧管)是用质量、惯量、刚性梁和弹簧来模拟的，它的质量和惯量参数施加在质心上，用三个弹簧单元(每个弹簧单元有X 、Y 、Z 三个方向的刚度)来模拟悬置衬套，三个刚性梁单元分别将质心与悬置衬套连接起来。

动力总成的质心与排气系统的开始端也用刚性梁单元相连。

排气系统部分：排气系统依据3D 模型建立，包括三元催化器、副消音器、主消音器以及吊耳等。

球连接及吊耳橡胶部分：球连接主要控制动力总成传递到冷端的振动，球连接只有三个方向的转动自由度，吊耳车身侧被动挂钩与排气系统侧主动挂钩间的橡胶用弹簧单元模拟，并设置X 、Y 、Z 三个方向的刚度。

18_汽车排气系统模态及悬挂点布置分析在汽车工程中，汽车排气系统的模态及悬挂点布置分析是非常重要的研究方向。

本文将对汽车排气系统的模态和悬挂点布置进行详细讨论，并探讨其对汽车整体性能和乘坐舒适性的影响。

1. 汽车排气系统的模态分析汽车排气系统是引擎排放废气的重要组成部分，其模态特性直接影响到排气噪声和排放性能。

在模态分析中，通过使用有限元分析方法，可以模拟排气管、消声器等结构在运行时的振动响应。

根据模态分析的结果，可以对排气系统的结构进行优化，以减少振动和噪声。

2. 汽车排气系统的悬挂点布置分析悬挂点是指汽车排气系统与车身连接的位置，其布置合理与否直接影响到排气系统的稳定性和可靠性。

在悬挂点布置分析中，需要考虑排气系统的重量、振动情况以及与其他车身部件的协同性。

通过使用计算机辅助设计和有限元分析方法，可以对不同悬挂点布置方案进行模拟和评估，以寻找最佳的布置方案。

3. 汽车排气系统模态与悬挂点布置的影响汽车排气系统的模态和悬挂点布置对汽车整体性能和乘坐舒适性有着重要的影响。

首先，模态的合理设计可以减少排气系统的振动和噪声，提高乘坐舒适性。

其次，悬挂点的布置应考虑到汽车的动力学特性，避免因振动引起的磨损和破损。

最后，合理的模态和悬挂点布置可以提高汽车的排放性能，减少废气排放对环境的污染。

4. 汽车排气系统模态与悬挂点布置的优化方法为了优化汽车排气系统的模态和悬挂点布置，可以采用以下方法。

首先，通过使用有限元分析方法，可以模拟不同排气系统结构在运行时的振动特性，从而找出振动频率和模态。

其次，可以对不同悬挂点布置方案进行有限元分析和模拟验证，评估其对排气系统模态和整体性能的影响。

最后，根据优化的结果，可以对排气系统的结构和悬挂点进行调整和优化，以达到最佳的模态和布置效果。

综上所述，汽车排气系统的模态及悬挂点布置分析对汽车整体性能和乘坐舒适性具有重要意义。

通过合理设计排气系统的模态和悬挂点布置，可以减少振动和噪声，提高乘坐舒适性，并改善汽车的排放性能。

个Pipel6单元.6个Combinl4单元。

图l某轿车排气系统的有限元模型表1零部件的材料属性弹性模鞋密度,零部件材料泊松比/MPakg・m。

3管道、消声器409L2.06xlos0.37700法兰.吊钩Q235 2.1×10s 0.37850橡胶吊耳橡胶EPDM7.80.478703排气系统的有限元仿真分析3.1有限元模型的静力学计算基于该排气系统在发动机和橡胶吊耳约束的条件下.其最大位移和最大应力以及橡胶吊耳的最大受力都有限值约束。

因此.对其进行了排气系统在重力载荷下的静力学分析。

将HyperMesh中建立好的有限元模型导入ANSYS中并进行重力载荷的加载.对其进行静力学分析。

图2、图3和图4分别为重力载荷下,排气系统的位移、应力和橡胶吊耳处的受力图。

由图中数据可知.该排气系统在重力载荷的条件下.其最大位移和最大应力分别为3.02唧和31.9MPa.各橡胶吊耳处的最大受力为31.487N.且受力相对均匀.因此.满足静力载荷下的设计要求。

3.2有限元模型的模态分析将加载约束条件的有限元模型导入ANSYS。

采取BIock Lanczos方法提取该排气系统的各阶次模态值.从而获得排气系统的约束模态,表2为该排气系统的各阶次频率值。

图5为该排气系统不同阶次下约束模态的振型。

从模态振型图来看,大多数表现为系统受约束的某种摆动。

图2重力载荷下排气系统位移图3重力载荷下排气系统应力图4重力载荷下排气系统橡胶吊耳处受力表2排气系统各阶次频率模态阶次l2345678频率,Hz 8.47511.78014.65818.41619.82927.19331.26636.661模态阶次910.1l 1213141516频率,Hz56.68161.74884.78993.619123.650136.350l“.890186.8002010年第1期.-——41..——排气系统的振动特性分析具有指导意义.与试验模态结合.可以很好地完成排气系统的振动性能分析。

汽车排气系统静力学计算及模态分析汽车排气系统是引擎的一部分，它的作用是将引擎燃烧产生的废气和噪音从车辆底部排出，为了保持引擎的性能和减少对环境的影响，排气系统的设计必须考虑静力学计算和模态分析，以下将详细介绍这两个方面。

一、静力学计算静力学计算旨在确定在引擎运转时，排气系统中存在的压力及对它会产生的力和扭矩的影响。

这些力和扭矩的作用都会导致排气系统产生振动，下面我们将从三个方面进行分析：1. 背压计算在排气系统中，背压是指尾气在流经排气系统时产生的空气压力之和，这个压力会对引擎的性能产生影响。

当排气系统中背压过高时，会使引擎的性能下降。

因此，在设计排气系统时必须要根据引擎的输出和尾气产生的流量来计算背压。

2. 力和扭矩计算在引擎工作时，排气系统受到的总体力和扭矩都是非常关键的参数。

这些参数可以通过测量排气管的弯曲、长度、截面面积等参数来计算。

当排气系统的力和扭矩较大时，可以采用更加坚固的材料来制造排气系统，以确保其能够承受这些作用力。

3. 振动计算振动是指排气系统在引擎工作时产生的机械波动。

这种振动可以对排气系统和其他部件产生损伤。

因此，在设计排气系统时，必须要考虑振动特性，以便控制和减少振动。

二、模态分析模态分析旨在确定排气系统的共振特性，例如本征频率和共振幅值等，以便设计人员能够更好地了解设计中可能出现的问题。

这种分析可以使用有限元分析的方法进行，下面我们将具体介绍：1. 有限元分析有限元分析是一种计算机辅助的工程分析方法。

在排气系统的设计中，有限元分析可以用于计算其振动、应力和变形等。

有限元分析的主要目的是确定系统中的自由振动模态和固定点的受力和应变，以便设计人员可以精确地计算设计参数。

2. 本征频率和共振幅值分析在分析排气系统的振动时，本征频率和共振幅值是非常重要的参数。

本征频率是指系统的自由振动频率，而共振幅值是指系统受到外部作用力时产生的响应。

在排气系统的设计中，必须要考虑到这两个参数，以确保排气系统能够在运行时不会受到过大的振动影响。

重卡排气系统的模态分析及试验优化作者：张贵勇苏长春来源：《中国科技博览》2016年第30期[摘要]排气系统的振动与噪声是影响整车 NVH水平的重要因素，良好的排气系统结构布局和刚度匹配能够有效的降低排气系统与发动机之间以及车体之间的振动能量传递。

采用Hyperworks软件对某涡轮增压式发动机重型卡车两种类型排气系统进行有限元建模，同时依据有限元理论对此排气系统进行静平衡分析和模态分析，并通过实车振动测试对分析结果进行试验，以验证改进方式的有效性，不仅解决了频繁发生的排气管断裂问题，也为排气系统刚度及零部件布局的选择提供技术依据。

[关键词]排气系统振动模态有限元分析中图分类号：TM641 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0003-011 引言重型卡车作为一种生产工具，其使用的可靠性至关重要。

重卡排气系统在实际使用过程中的载荷工况比较复杂和恶劣，不但要承受来自发动机和路面的激励载荷作用，同时排气系统的热端还要承受高温热循环载荷的作用。

在这两种载荷同时作用下，汽车排气系统尤其是热端部分，很容易产生疲劳破坏而失效。

针对某重卡排气系统涡轮增压器端口部位排气管频繁损坏的现状，通过建立有限元分析模型，并通过振动试验测试验证的方法提出改进方案。

2 排气系统模型2.1 排气系统的物理模型图1为某重卡排气系统的三维模型，主要包括前排气管、排气辅助制动器、减震单元、后排气管、催化消声器和排气尾管，排气管材料为SUS 304不锈钢。

排气系统前端通过螺栓与发动机刚性相连，中间采用减振单元，后端与消声器连接。

在整车使用过程中，存在排气系统与发动机相连接的前排气管断裂问题。

2.2 系统摸态分析针对前排气管断裂问题，利用HyperMesh建立排气系统热端排气管有限元模型，模拟排气系统连接形式，采用二阶4面体单元，平均网格大小为4mm，进行网格划分，设定约束后，利用Abaqus对系统进行模态分析求解，排气系统模态计算结果如表1。

汽车排气系统的三维设计和有限元分析摘要：排气系统是车辆的重要组成部分，负责发动机尾气排放。

它的降噪、尾气净化和压力损失等问题已被广泛的关注，但其静力学特性却没有引起足够的重视。

传统的排气系统同发动机和车体相连，排气系统的静力学特性的好坏对排气系统的寿命有较大影响，影响到汽车的整体性能以及人们对车辆的主观评价。

在使用UG建立排气消声器模型后，利用ANSYSWORKBENCH对所建立的排气消声器模型进行静力学分析。

通过该分析为消声器的设计提供理论依据以及方法。

关键词：排气系统；静力学分析；建模为了降低发动机排放对环境和乘员造成的不良影响，排气系统作为一个重要的组成部分被引入到车辆中来。

它的主要作用是将发动机工作时产生的废气经过处理排出并且降低排气噪声。

它的质量的优劣直接关系到车辆的动力性、舒适性和排放标准，另外，它对发动机的效率和使用寿命也会产生影响。

所以排气系统甚至是评价整车性能的一个标准。

而排气系统的寿命与许多因素有关，本文主要考虑由于自身重力的作用对排气消声器的寿命的影响。

1排气系统的功能和设计排气系统的主要功能是排放和降噪，排气系统主要由：排气管、消声器和尾管组成。

随着世界各国对汽车尾气排放的要求日益提高，各汽车生产商也通过安装各种各样的装置来降低汽车排放的尾气中污染物的含量。

如：三氧催化器、碳罐等。

而且对于某些大功率的发动机，由于噪声比较大，往往汽车生产商会外加一个副消声器以满足法规对噪声排放的要求。

排气系统看似只是简单的管道，实际设计中不仅要考虑到特定的底盘布置，同时排气系统的长度、管径大小、消声器的大小等，还要考虑到排气气体的流动特性，防止背压过大，增加功率损失。

因此排气系统设计是车辆设计的重要一环。

在排气系统的设计中，由于发动机的布置原因，导致发动机的排气口是水平方向，所以与发动机排气口相连接的排气管必须也设计成水平方向，由于该型车的车架悬挂点不足，所以在放置消声器时只能悬挂在特定的几个地方，而发动机的排气孔又是水平方向的，这就必然导致排气管通过弯曲的方式来满足排气系统布置上的要求。

汽车排气系统静力学计算及模态分析
侯献军;刘志恩;颜伏伍;刘庆
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2010(000)001
【摘要】建立了某汽车排气系统的有限元模型,并进行了有限元模型的静力学计算和模态分析.静力学计算结果表明,该车辆排气系统各橡胶吊耳处受力相对均匀,系统的最大位移和应力均满足设计要求.模态分析结果表明,怠速和经济转速下发动机的排气激励频率避开了该排气系统的固有频率,使得该系统具有较好的动态特性.【总页数】3页(P40-42)
【作者】侯献军;刘志恩;颜伏伍;刘庆
【作者单位】武汉理工大学;武汉理工大学;武汉理工大学;河南机电高等专科学校【正文语种】中文
【中图分类】U464
【相关文献】
1.基于 CA TIA 的汽车车灯静力学计算及模态分析 [J], 刘庆;睢利铭
2.基于ANSYS的汽车排气系统模态分析 [J], 何云飞;唐岚;江昊
3.某型汽车排气系统的模态分析 [J], 李祖业;谢华林;龚运息;杨迪新
4.汽车排气系统模态分析与优化 [J], 王娜;毛忠民
5.汽车排气系统计算模态分析 [J], 俞水良;符惠龙
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《装备制造技术》2021年第2期某型汽车排气系统的模态分析李祖业1,谢华林2,龚运息2,杨迪新1(1.柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州545000;2.广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州545006)摘要：利用U G和Hyperworks软件联合建立了某汽车排气系统的有限元模型，并对该排气系统进行了模态分析，得到 系统的各阶频率及固态振型，并且使系统的固有频率避开了发动机的激励频率，为排气系统后续N V H性能的研究供了 依据。

关键词:排气系统；有限元法;模态分析中图分类号：U464.134 文献标识码:A汽车排气系统主要由排气管、三元催化装置、波 纹管、副消声器、主消声器、尾管以及排气系统悬挂 装置等组成。

其中主、副消声器可以有效的降低汽车 在行驶过程中发动机排气产生的噪音；波纹管以及 排气系统悬挂装置可以用来减少排气系统的振动，从而提高系统的可靠性及寿命。

目前,模态分析是国 内外学者对排气系统结构进行优化和振动噪声研究 的基础。

雷刚等[^通过模态分析得到排气系统的固 有频率，根据模态振型节点确定吊钩位置;Ra。

等[3]对 排气系统进行模态分析，认为排气系统吊耳和悬挂 点对车内振动和噪声具有重要影响;冯晓柠|4]对排气 系统振动特性进行研究，根据模态分析所得到的系 统振型，对挂钩模态与系统模态进行控制优化，成功 避免了排气系统结构与发动机结构共振。

本文对某车型排气系统结构进行了研究，结合 U G三维建模软件与三维仿真软件Hyperworks的特 性对其进行了模态分析。

通过模态仿真分析可以得 到各组成结构的固有频率及振型，调整排气系统振 动贡献较大振型的结构，对于改善排气系统的使用 性能以及寿命有很大帮助，并且能够对后续NVH性 能的研究提供一些必要的参考和建议。

1排气系统有限元模型通过U G建立排气系统三维实体模型，然后导入 Hypermesh软件中。

由于排气系统结构较为复杂，在 不影响求解精度的情况下为了减少计算时间，进行文章编号：1672-545X(2021 )02-0097-03有限元模型建立时，会对其部分组件几何结构进行 简化处理％其中，排气系统连接管、消声器壳体、消 声器内部进、排气管、隔热板等结构厚度与长度相差 太大，所以采取抽中面的方法，简化为三角形或四边 形的壳体单元;消声器内部穿孔管、隔板上的小孔不 予考虑；波纹管使用一个弹簧单元和两个质量点来 代替，两端用RBE2刚性单元与连接管道相连。

18_汽车排气系统模态及悬挂点布置分析汽车排气系统作为汽车的重要组成部分，不仅影响着车辆的排放性能，其模态特性和悬挂点布置对整车的 NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）性能也有着至关重要的影响。

因此，对汽车排气系统的模态及悬挂点布置进行深入分析具有重要的意义。

首先，我们来了解一下汽车排气系统的构成。

汽车排气系统通常由排气歧管、催化转化器、排气管、消声器等部件组成。

这些部件在工作过程中会受到来自发动机的振动和热应力等作用，因此需要具备良好的结构强度和稳定性。

模态分析是研究汽车排气系统结构动态特性的重要手段。

通过模态分析，可以得到排气系统的固有频率、振型等模态参数。

固有频率是指系统在自由振动时的振动频率，如果排气系统的固有频率与发动机的激励频率接近，就容易发生共振现象，从而导致噪声增大、结构损坏等问题。

振型则反映了系统在特定固有频率下的振动形态，有助于我们了解系统的薄弱环节。

在进行排气系统模态分析时，需要建立准确的有限元模型。

模型的建立要考虑到排气系统各个部件的几何形状、材料特性、连接方式等因素。

然后，通过施加适当的边界条件和载荷，利用有限元分析软件进行计算求解，得到模态参数。

接下来，我们探讨一下悬挂点布置对排气系统的影响。

合理的悬挂点布置可以有效地减少排气系统传递到车身的振动，提高车辆的 NVH性能。

悬挂点的位置、数量和刚度都会对排气系统的振动特性产生影响。

如果悬挂点位置不合理，可能会导致排气系统的某些部位振动过大，从而产生噪声和疲劳破坏。

一般来说，悬挂点应尽量布置在排气系统的振动节点附近，以减小振动的传递。

同时，悬挂点的数量也需要根据排气系统的长度、重量和结构形式等因素进行合理选择。

过多的悬挂点会增加成本和安装难度，过少的悬挂点则无法有效控制振动。

悬挂点的刚度也是一个关键因素。

刚度过大会导致振动传递增大，刚度过小则无法提供足够的支撑。

因此，需要根据排气系统的振动特性和车辆的 NVH 要求，选择合适的悬挂点刚度。

排气系统模态分析相关条件及参数
1、数模及尺寸
整个排气系统总成和各部件的数模（实体）及外观尺寸参数
2、各部件断面
用于刚度及惯性矩计算，含同一部件有变化的各个断面
3、材料规格
含材料的比重、弹性模量、泊松比
4、质量参数
各部件的质量及质心位置
5、专项部件参数
⑴柔性管（BELLOWS ASSY）
①外形尺寸、质量及质心位置
②刚度参数，如下表
⑵消声器总成（含主、副消声器）
①外形尺寸、质量及质心位置
②沿X、Y、Z轴三个方向的转动惯量、惯性矩、刚度值
⑶三元催化转化器
①外形尺寸、质量及质心位置
②沿X、Y、ZL轴三个方向的转动惯量、惯性矩、刚度值
6、吊点悬置参数（用于吊点传递函数分析计算）
①目前的吊点位置
②胶垫的K值（静刚度和动态刚度）和C值（阻尼特性）
7、发动机的振动特性
用于排气系统CAE结果分析。

收稿日期：２０１７－１１－０１作者简介：顾灿松，博士研究生，高级工程师，研究方向为汽车振动噪声测试㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｕｃａｎｓｏｎｇ＠１６３ ｃｏｍ㊂ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１８ ０３ ０１２某轿车排气系统模态分析及动态特性评价顾灿松，董俊红，陈智伟（中国汽车技术研究中心，天津３００３００）摘要：为评价某轿车排气系统的动态特性，根据排气系统实物建立其三维实体模型，利用有限元分析软件对它进行约束模态分析，得到其前５阶模态参数，发现前两阶模态能很好地避开发动机激励，但是后３阶模态固有频率对应的发动机转速为常用发动机转速，容易产生共振㊂关键词：排气系统；模态分析；振动；固有频率中图分类号：ＴＨ１１３ １㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０３－０５２－０３ＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＥｖａｌｕａｔｉｏｎｆｏｒａＶｅｈｉｃｌｅＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍＧＵＣａｎｓｏｎｇ，ＤＯＮＧＪｕｎｈｏｎｇ，ＣＨＥＮＺｈｉｗｅｉ（ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃａｒｅｘｈａｕｓｔｓｙｓｔｅｍ，ａｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅａｌｅｘｈａｕｓｔｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｍｏｄａｌ．Ｔｈｅｍｏｄａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｆｉｖｅｏｒｄｅｒｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｔｗｏｏｒｄｅｒｍｏｄｅｓｃａｎｗｅｌｌａｖｏｉｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｌａｔｔｅｒｔｈｒｅｅｍｏｄａｌｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｔｏｃｏｍｍｏｎｅｎｇｉｎｅｓｐｅｅｄ，ｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｌｌｂｅｈａｐｐｅｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍ；Ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ０㊀引言汽车排气系统具有排除发动机燃烧产生的废气以及减少排气噪声的作用㊂汽车排气系统所受的激励主要为发动机运行激励以及路面不平度激励㊂在设计排气系统时不仅需要进行静态受力的分析和计算，还要进行动态特性分析和评价㊂越来越多的研究人员对汽车排气系统进行了动态特性分析和评价㊂２０１２年卞信涛利用Ａｌｔａｉｒ／ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件建立了某排气系统的有限元模型，分析了吊耳位置对该排气系统动态特性的影响［１］㊂陆宏伟等利用有限元分析软件分析了某柴油机汽车排气系统的动态特性，找出了其动态特性设计中的薄弱环节［２］㊂２０１３年黄华等人利用ＧＴ⁃Ｐｏｗｅｒ软件建立了某轿车排气系统的有限元模型，针对排气的气流特性研究其动态特性［３］㊂２０１４年朱峰等人利用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ和Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件计算得到了某轿车排气系统的固有频率和振型，为排气系统的动态特性设计提供了依据［４］㊂雷刚等人利用实验和计算相结合的方法分析了某轿车排气系统的各阶模态，优化了该排气系统的吊耳位置［５］㊂刘志恩等分析了某轿车排气系统在冷热情况下的模态，研究了螺栓预紧力等对其模态参数的影响［６］㊂２０１５年，唐庆伟等从能量耦合的角度对汽车排气系统进行了模态分析，得到了固有频率和耦合能量的分布图，为排气系统动态特性设计提供了参考［７］㊂２０１６年，慈龙尚等在考虑动态特性的情况下对某重型卡车的排气系统进行了分析和设计［８］㊂战申等人利用计算和分析相结合的方法进行了某轿车排气系统的动态特性优化［９］㊂作者针对某轿车排气系统，利用三维建模软件建立了实体模型，并利用有限元分析软件分析了其前５阶约束模态，根据计算所得的模态参数对该排气系统进行了动态特性评价㊂１㊀排气系统模型的建立所研究的排气系统实物如图１所示㊂该排气系统主要有两级消声器，主消声器和副消声器，其内部有管片交错的消音装置㊂另外有起到连接作用的１㊁２㊁３号管，和三元催化转化器出口相连的连接法兰，连接副消声器和２号管的连接件，补偿排气系统相对跳动的波纹管㊂排气系统在汽车上装配时连接法兰和三元催化转化器相连接为固定约束，２号管图示位置通过吊耳和弹性元件连接为弹性约束，副消声器和３号管图示位置通过吊耳和弹性元件连接为弹性约束㊂排气系统结构较为复杂，如果直接用有限元软件进行建模较为困难且容易导致建立的模型不够准确㊂作者利用三维建模软件ＣＡＴＩＡ进行建模㊂因排气系统主消声器㊁副消声器的翻边工艺对动态特性分析影响较小，在建模时将其忽略，在建模时采用单个零部件单独建模后进行装配的方式进行㊂所建立的排气系统实体模型如图２所示㊂图１㊀排气系统实物及约束情况图２㊀排气系统实体模型２　排气系统模态分析及评价２ １㊀排气系统模态分析将用ＣＡＴＩＡ软件建立的排气系统实体模型保存为ｓｔｐ格式后导入ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，采用ＡＮＳＹＳ软件的窗口界面模式Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中的模态分析模块㊂将几何模型导入后需要先对其进行网格划分，文中采用自动划分网格的方式进行划分㊂网格划分一共得到５００３４个节点㊁３２３３４个单元㊂划分网格后需要设置计算所需要的物理参数㊂所研究的排气管结构物理参数如表１所示㊂按照排气系统在汽车上的装配关系设置固定约束和弹性约束如图１所示㊂表１㊀排气材料物理参数弹性模量／ＧＰａ２１０密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）７８００泊松比０ ３设置计算的固有频率最大值为８０Ｈｚ，在频率范围８０Ｈｚ以内一共可得到５阶模态，前５阶模态的各阶固有频率值如表２所示，各阶振型图如图３ ７所示㊂表２㊀各阶固有频率模态阶数固有频率值／Ｈｚ１１４ ５６２１７ ６７３２５ ２６４５０ ４０５６８ ９８图３为该排气系统的第１阶模态振型，可以看出：此时排气系统１号管㊁主消声器基本不变形，副消声器和２号管绕Ｚ轴摆动㊂图３㊀第１阶模态振型图４为计算所得排气系统第２阶模态振型，此时主消声器以及３号管㊁波纹管位置变化均不明显，副消声器和２号管变形较大，此阶模态主要为副消声器和２号管沿着Ｙ轴的摆动㊂图４㊀第２阶模态振型图５为计算所得排气系统第３阶模态振型㊂可以看出：此时主消声器以及３号管变化不明显，１号管和２号管变动较大，此时整体看为整个消声器沿着Ｘ轴的扭转运动㊂图５㊀第３阶模态振型图６为计算所得排气系统第４阶模态振型㊂可以看出：此时副消声器变化不明显，整体模态振型为２号管沿着Ｚ轴的一阶弯曲运动，１号管和波纹管有绕Ｘ轴转动的趋势㊂图６㊀第４阶模态振型图７为计算所得排气系统第５阶模态振型㊂可以看出：此时主消声器和副消声器变化均不明显，１号管有一阶弯曲的趋势，２号管有沿Ｙ轴上下摆动的趋势㊂图７㊀第５阶模态振型２ ２㊀排气系统动态特性评价文中所研究的排气系统为直接四缸四冲程发动机㊂该发动机的激励频率可用下式表示：ｆ＝ｉｎ３０τ（１）其中：ｉ为汽缸数；τ为冲程数；ｆ为发动机的激励频率㊂根据此公式可计算各共振频率下发动机转速如表３所示㊂表３㊀固有频率对应的发动机转速阶数固有频率值／Ｈｚ发动机转速／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）１１４．５６４３６．８２１７．６７５３０．１３２５．２６８４７．８４５０．４０１５１２５６８．９８２０６９．４因该车型发动机的怠速转速为８００ｒ／ｍｉｎ，和该排气系统的前两阶模态固有频率相差较远，不会发生共振，但是第３㊁４㊁５阶模态固有频率对应的发动机转速和该发动机怠速转速以及常用转速相近，所以有可能发生共振现象，可通过改变排气系统结构或者改善悬置点的位置进行优化㊂３㊀总结利用ＣＡＴＩＡ软件建立了某轿车排气系统三维模型，结合排气系统和车辆装配关系以及排气系统的材料属性，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对该排气系统进行了约束模态分析，得到了该排气系统前５阶模态，并且根据测试的参数对排气系统进行了动态特性评价㊂参考文献：［１］卞信涛．排气系统模态及振动响应分析［Ｊ］．机电技术，２０１２，３５（１）：１１０－１１２．［２］陆宏伟，季振林，孟瑞雪．柴油机排气系统振动特性数值仿真与分析［Ｊ］．噪声与振动控制，２０１２，３２（３）：４１－４４．ＬＵＨＷ，ＪＩＺＬ，ＭＥＮＧＲＸ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＮｏｉｓｅａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，２０１２，３２（３）：４１－４４．［３］黄华，倪计民，沈振华．基于流动过程的车用排气系统优化与评价［Ｊ］．汽车工程学报，２０１３，３（２）：１１９－１２４．ＨＵＡＮＧＨ，ＮＩＪＭ，ＳＨＥＮＺＨ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦｌｏｗＰｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，３（２）：１１９－１２４．［４］朱峰，李书晓．基于Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的排气系统模态分析［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１４（１）：６２－６４．ＺＨＵＦ，ＬＩＳＸ．ＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍｂｙＨｙｐｅｒｍｅｓｈａｎｄＷｏｒｋｂｅｎｃｈ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１４（１）：６２－６４．［５］雷刚，胡鹏，刘圣坤．汽车排气系统模态分析及挂钩位置优化［Ｊ］．内燃机工程，２０１４，３５（２）：１０２－１０６．ＬＥＩＧ，ＨＵＰ，ＬＩＵＳＫ．ＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＨｏｏｋＬｏｃａｔｉｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３５（２）：１０２－１０６．［６］刘志恩，胡雅倩，颜伏伍，等．发动机排气歧管热模态分析及试验研究［Ｊ］．汽车工程，２０１５（３）：３５９－３６５．ＬＩＵＺＥ，ＨＵＹＱ，ＹＡＮＦＷ，ｅｔａｌ．ＴｈｅｒｍａｌＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＭｏｄａｌＴｅｓｔｓｏｆＥｎｇｉｎｅＥｘｈａｕｓｔＭａｎｉｆｏｌｄ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５（３）：３５９－３６５．［７］唐庆伟，高文杰，郭志强，等．汽车排气系统模态与能量耦合分析［Ｊ］．农业装备与车辆工程，２０１５，５３（４）：１１－１３．ＴＡＮＧＱＷ，ＧＡＯＷＪ，ＧＵＯＺＱ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍＭｏｄａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｕｐｌｉｎｇ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ＆ＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，５３（４）：１１－１３．［８］慈龙尚，陈刚，张辉．某款８ˑ４重卡载货车排气系统的设计与分析［Ｊ］．汽车零部件，２０１６（１０）：３２－３６．ＣＩＬＳ，ＣＨＥＮＧ，ＺＨＡＮＧＨ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ８ˑ４ＨｅａｖｙＴｒｕｃｋＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＰａｒｔｓ，２０１６（１０）：３２－３６．［９］战申，宋晓琳，杨迪新，等．汽车排气系统振动分析与优化［Ｊ］．机械设计，２０１６（１）：１６－２０．ＺＨＡＮＳ，ＳＯＮＧＸＬ，ＹＡＮＧＤＸ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｘｈａｕｓｔＳｙｓｔｅｍＶｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎ，２０１６（１）：１６－２０．。