某SUV排气系统模态分析及吊挂位置优化研究

龚兴旺 孙念芬 邓磊 涂晴

摘 要：文章运用Hypermesh对某SVU排气系统几何模型进行合理简化，建立CAE模型，分析排气系统模态并与试验结果对比，验证CAE模型的准确性。在此基础上根据排气系统自由模态结果，计算各潜在吊耳位置点的模态位移，运用平均驱动自由度位移理论对排气系统计算得到的各阶模态位移进行加权叠加，求和后选取位移较小的位置点作为排气吊耳潜在吊挂点。通过对排气进行吊挂动态力对比分析，验证吊挂位置的合理性。

关键词：排气系统;平均驱动自由度位移;吊挂位置优化;仿真

中图分类号：U464  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-177-04

Abstract： Exhaust system CAE model was built through the Hyperworks software， Analyze the normal modes and compare to the test result， verify the correctness of the CAE model. The ADDOFD method was used to obtain the potential hanger location. Hanger force was calculated to verify the approach.

Keywords： Exhaust system; ADDOFD; Hanger location optimize; Simulation

前言

影响汽车NVH的因素有很多，其中排气系统是一个主要的激励源，排气系统热端直接通过法兰连接在发动机上，冷端大都是通过吊钩加橡胶吊耳连接在车身或车架上，热端与冷端之间通过波纹管相连。排气系统在工作过程中，不仅受到发动机的激励，排气系统本身的脉冲振动及气流冲击也会产生较大的能量。这些振动能量通过橡胶吊耳和挂钩传递给车身底板，引起车身振动并产生车内噪声[1-2]，直接对对车内的NVH有贡献，影响驾驶员及乘客的感观。因此，非常有必要在设计前期就对排气系统进行设计优化，以减小排气系统传递到车身及车架上的力，从而优化车内NVH。

应用先进的计算机辅助工程（CAE）的手段是一种非常有效的优化排气系统设计的方法。本文对某SUV车型排气系统进行模态分析，并与试验结果对标，验证仿真模型的准确性，在此基础上，对排气吊挂位置进行研究，选取吊钩最优位置，可以在设计初期得到排气系统的固有特性，同时可以预测排气系统的振动特性，发现潜在的问题并进行优化，降低风险，同时有助于在样车出来后，对排气系统相关问题进行整改优化。

1 理论

1.1 模态振动理论

ADDOFD（j）可获得某个自由度在一般激励情况下的（在某个频率范围内所有模态均被激发）的位移响应的相对大小，以此对排气系统吊耳的悬挂点位置进行优化选择。

2 建立排气系统CAE仿真模型

汽车排气系统的零件很多，一般包括：热端和冷端，热端主要包括：排气管、三元催化器和连接法兰;冷端主要包括：主（副）消声器、橡胶吊耳、吊钩、排气管、连接法兰。

2.1 各元件的简化模拟

对于三元催化器的处理，有两种方式：1、划分详细的三元催化器网格及内部结构;2、直接将内部结构简化成质量点，通过刚性单元连接至三元催化器外表面。

消声器内部结构的复杂，如果有内部结构，可完全采用网格划分;如未提供则须简化，先对消声器的外壳进行网格划分，再进行质量模拟。

波纹管的结构较为复杂，可以简化为弹簧单元，在Hyper -work软件中，可以直接用六方向的弹簧（cbush）单元模拟分析，注意该弹簧单元需在合适的局部坐标系内。

对于吊耳的处理，与波纹管类似，采用零长度的弹簧单元模拟，并给定初始设计的刚度值。

2.2 排气系统 有限元模型的建立

从设计人员处得到排气系统总成的CAD数据，并进行几何清理，清理完后，对排气系统进行网格划分，网格尺寸建议7-10mm，网格质量要求需满足通用的标准。对排气系统各零件进行连接，同时对各零件设定好相应的材料及属性类型，建立的排气系统模型如图1所示。其中H1-H5为排气工程师提供的初始吊挂位置点。

3 排气系统模态分析与试验对标

3.1 排气系统固有特性分析

对已完成的排气系统有限元模型进行自由模态分析，得到排气系统各阶模态频率。如表1所示。

3.2 排气系统模态试验

利用LMS数据采集系统测试排气系统的约束模态，该测试在江西省汽车噪声与振动重点实验室完成。排气系统的约束模态实验采用单点激励、多点响应的随机激励法，通过获取激励点和各响应点之间的传递函数来识别排气系统的固有频率和模态振型[2]。在排气系统的波纹管后位置、排气管中间、排气尾管靠近尾管口位置各布置一个传感器，然后在每个测点处用力锤进行激振，依次完成每个测点的激励测试，如下图2所示。

从表2 可以看出：排气系统CAE分析计结果与试验结果的结果差距较小，仿真与测试的排气系统模态频率误差小于8%，仿真结果置信度较高。可使用该排气系统的有限元模型进行后续的仿真分析。

4 对吊挂位置进行优化

排气系统吊挂位置对于排气系统传递到车内的振动大小有直接影响，选择整个排气系统振動位移最小的位置作为潜在吊挂位置，再结合布置、制造及强度耐久的可行性最终选择吊挂位置。

从部分排气系统自由模态位移云图中可以得出，不同模型频率下，排气系统各点的位移均不相同，因此下一步将运用平均驱动自由度法进行加权位移计算。

发动机的工作转速一般在6000r/ min 以下，对应的激励频率在200HZ以下;以某SUV车型为例，通过查看应变能大小和振型判断20HZ以内为刚体模态;所以在定义模态时，可设定频率范围为20～200HZ。

利用Nastran 计算排气管系统的自由振动模态，将振型中这些位置的位移进行计权累加，构成加权振型指示位移，取加权振型指示位移较小者作为潜在布置位置[3]，兼顾工程化布置空间限制，故推荐吊挂布置位置如下图中绿圈内位置或满足布置条件的尽可能接近图4绿圈附近。

5 吊挂位置点优化合理性验证

5.1 排气系统静力分析

完成排气系统的悬挂点设计后，可以通过静力分析来预测整个系统在重力作用下的应力分布以及各悬挂点的载荷分布[6]。各吊挂点最大位移为1.35mm，各吊挂点受力情况如表4所示。

从排气系统的静态分析结果来看：

（1）优化吊挂位置后，各点的位移满足目标（<3mm）要求;

（2）优化吊挂位置后，各吊挂点的受力更均匀。

5.2 排气系统模态分析

根据模态分离原则，排气系统的模态需与发动机怠速的主要阶次激励频率避开3Hz以上，从而降低车辆在怠速时的振动。

该SUV的发动机为4冲程4缸柴油机，怠速转速为800rpm，故对应的需避开的发动机主要阶次（2、4、6）激励频率为26.7Hz、53.4 Hz、80. 1Hz。

对吊挂位置优化后的排气系统进行了约束模态分析，得到的结果如表5所示：

从排气系统的模态分析结果来看：

（1）吊挂位置优化后，排气系统的各阶模态与发动机2、4、6阶激励频率避开3Hz以上，满足模态分离原则;

（2）排气系统的模态密度未发生变化。

5.3 排气系统动态受力分析

排气在工作过程中，通过橡胶吊挂和吊挂传递给车身底板，从而引起一定的车内噪声，因此通过分析吊挂传递到车体的动态力[4-5]，可以进一步说明吊挂位置的合理性。

对优化方案和原方案进行动态力对比分析，对比分析结果如下图5所示。

从排气系统的动态受力来看看：

（1）频率为33HZ时，振动位移较大，优化方案效果明显;

（2）各吊挂点传递的动态力更加均匀并满足目标值。

6 结束语

（1）本文根据有限元理论，对排气系统划分网格，并对部分零件进行合理简化，建立排气系统有限元模型，进行模态频率计算，并对排气系统进行物理试验，验证了CAE模型的准确性;

（2）基于对标后的CAE模型，运用平均驱动自由度位移法计对该车型的排气振动位移，根据位移结果对排气吊挂位置进行优化，并结合工程可行性给出吊挂位置优化建议;

（3）通过对吊挂位置优化前后的排气吊挂进行静态、模态及动态力分析，对比原方案，各吊挂的受力更为均匀;各阶模态满足模态分离原则;各吊耳动态力较优化前有所降低，且均不超过目标值10N，优化效果明显。

本文的研究能有效的得到排气系统的固有特性，并在前期指导排气系统的设计，能够有效的降低排气系统对车内噪声与振动的影响，提升整车NVH性能。

参考文献

[1] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2] 徐献阳.车辆排气系统的模态分析及振动优化[M].上海交通大学，2008.

[3] 刘志恩，田静，颜伏伍等.汽车排气系统悬挂点布置研究[J].武汉理工大學学报， 2010， 32（6）：950-953.

[4] 上官文斌，黄志，贺良勇，段小成等.汽车排气系统吊耳动刚度优化方法的研究[J].振动与冲击，2010，29（1）：100-102.

[5] 侯路，王海波，谭伟等.汽车排气系统动态响应特性及强度分析[J]. 汽车科技， 2012（6）：69-72.

[6] Shao Jianwang，Du Aimin，Jin Xiaoxiong.Research of Auto-motive Exhaust System Hanger Location[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC），September 3-5，2008，Harb-in， China.