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： 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。整个汽车系统中，排气系统对汽车整体NVH性能起着重要作用[2]。排气系统的一端通过进气管与发动机相连，经过前消声器、中间排气管道以及后消声器完成排气处理，另一端通过挂钩与车体相连，是汽车重力总成振动激励传递到车身的重要途径[3]。因此，在整车设计初期都会对计算排气系统的固有频率并对其振动进行优化，以减少车身振动、噪声水平以及增加使用寿命等，是排气系统设计时需要重点关注的方面。

文章根据企业提供的数据资料使用Solidworks3D软件建立的排气系统的几何模型，利用分析软件Hyper Mesh进行模型的前处理，最后利用ANSYS软件求出排气系统的各阶频率。通过模型固有频率结果，避免排气系统与发动机激励频率产生共振或谐共振，为结构的改进提供科学的依据，提高其性能并延长其寿命，进而提高整车的NVH性能。

1 ANSYS有限元分析理论

1.1 有限元分析基本理论

有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

1.2 ANSYS有限元分析软件

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出，软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

2 建立几何模型

排气系统主要由催化器带排气管总成，前消声器总成，中段排气气管总成，后消声器总成部分组成。各段之间通过法兰和螺栓连接，并通过挂钩合件与车体连接在一起。本文根据企业提供的数据，利用三维软件solidworks建立汽车排气系统的三维模型，并根据有限元计算要求并保持其力学性能不变的情况下对模型结构进行简化。

（1）将后消声器上边缘的翻边工艺结构简化，有利于模型的建立并降低网格划分的难度。

（2）假设排气系统整体的壁厚都相等，在HyperMesh中利用抽中面的方法对模型进行再处理，用等厚度的壳单元（shell181单元）代替实体建模，以便高质量划分网格并有效减少网格数量。

（3）利用beam188单元定义焊点来处理模型之间的焊接部分。

3 排气系统的模态分析

3.1 模态分析理论

模态是机械结构的固有特性。弹性系统的各阶模态都有其固有频率、阻尼比和振型。获得结构的模态参数对评价该结构的动态特性及其优化设计有着重要意义[4]。模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为理论模态分析;如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。本文对汽车排气系统的模态分析是利用理论模态分析的方法[5]。

3.2 有限元模型的建立

利用有限元前处理软件HyperMesh对建立的三维模型进行处理以便建立能在ANSYS处理软件中方便计算的有限元模型。排气系统有限元模型的材料属性见表1。

3.3 排气系统模态分析

后消声器系统的一端通过中间管与前消声器总成进而与发动机的排气总管相连，所以将该端面设置为固定约束，另外的一端则主要通过吊耳悬挂在车辆底盘的下方。排气系统前段设置为固定约束，并约束各吊耳与车身侧连接点的六个自由度。

对振型图进行分析：

（1）由一阶振型图可以看出基频状态下，排气系统的最大的位移集中在排气系统的左右尾管位置，壳体位移集中在壳体纵向槽体结构和横向槽体结构的结合处附近，主要原因在于排气系统一端通过中间管与前消声器总成进而与发动机的排气总管相连，将该端面设置为固定约束，另外的一端则主要通过吊耳悬挂在车辆底盘的下方。结合实际情况考虑，理论分析出的结果与实际情况相符合。

（2）对比1、2、3阶阵型图，可以看出在频率超出基频（302. 929Hz）一定频率范围（375.546Hz-397.539Hz）内，位移分布均匀，最大位移仍集中在左右尾管位置，但是未出现位移特别大的危险位置，且由振型图中可以看出在此频率范围内壳体的基本不会出现变形和位移。

（3）对比分析1-6阶阵型图并结合前四阶振型图我们可以看出，在低频时危险位置集中在排气系统的左右尾管处，在高频情况下危险位置均出现在系统大型结构壳体结构处，随着频率增大出现危险位置的移动，出现这种情况原因在于路面激励通过车身传递给排气系统时要经过起隔振作用的橡胶件，振动会大大减小。在低频时振动冲击小，危险位置出现在系统中小体积连接结构这易发生振动的位置，在高频范围内，振动冲击变大，系统中大体积承载结构成了主要承受振动并表现出变形的构件。

4 结论

文章采用Hypermesh和ANSYS软件相结合，对某款汽车的排气系统进行有限元模态分析，得到排氣系统约束模态振型，及排气系统固有模态和不同频率情况下振型图，从而确定不同频率下结构危险位置对排气系统的设计有着参考价值。模态分析结果对排气系统后消声器总成进行离散-连续拓扑优化提高合件性能有重要指导意义。

参考文献

[1]何健，范军锋，黄伟科，冯奇，凌天钧.钢结构车身的轻量化研究[J].汽车工艺与材料，2012（01）：11-16.

[2]吴超.汽车座椅舒适性的技术研究[J].现代制造技术与装备，2019（04）：115-116.

[3]张荣荣，陈华全，刘凤琴.汽车排气管总成仿真建模及对标[J].2013中国汽车工程学会年， 2013（11）.

[4]陈健，付燕鹏，谭敦松，李连好，盛勇生，邢号彬.基于试验与模态分析的尾门抖动问题研究与优化[J].上海汽车，2017（06）：16-19.

[5]李长玉，王丽.模态分析方法在汽车排气系统振动研究中的应用[A].机械设计与制造工程，2015（04）.