基于有限元的汽车排气系统吊钩位移响应分析

郭学静

摘 要：汽车排气系统吊钩的位移响应影响汽车的NVH特性，为了研究吊钩的位移情况，采用Hypermesh和MSC.Nastran进行有限元网格构建并进行计算求解。基于模态的吊钩位移分析很好的体现了不同频率下的响应，通过平均驱动自由度位移（ADDOFD）方法能够对排气系统的吊钩位置进行优化。计算仿真结果有效的辅助了排气系统的设计，并缩短了整车的开发周期，所做的模态分析对试验阶段的耐久也具有重要的指导意义。

关键词：位移响应 模态 平均驱动自由度位移

中图分类号：TG386.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-02

汽车工业的发展给人们的生活带来了前所未有的便捷和高效，然而随着人们对舒适性要求的提高，对于整车开发的NVH特性有了更加严格的要求。其中振动特性引起了工业界和学术界的广泛关注。该文通过有限元的方法，利用高效的网格处理工具Hypermesh和求解器MSC.Nastran，对排气系统的NVH特性进行了评估，基于模态的吊钩位移响应分析有效地反映了这一特性，同时能够给出吊钩的最佳布置位置，对整车开发具有强有力的支持和指导意义。

1 模态分析理论

模态分析是对系统动态特性的解析分析，结构的动态特性由模态参数来表示。模态参数可由系统的质量刚度矩阵的特征值（固有频率）和特征向量（模态振型）来表示。系统对于任意激励的响应，可视为系统各阶固有振型按一定比例叠加的结果。各阶振型在叠加中所占的比例，则由相应的模态值来决定。

振动系统的动力微分方程可以表示为

[M]{ü}+[M]{}+[K]{u}={F（t）}

[M]{ü}+[K]{u}={0}

式中，[M]，[C]，[K]分别表示为系统的质量、阻尼和刚度，矩阵，x表示位移向量，{F}为节点载荷向量。由于固有频率和外载荷无关，当结构的阻尼较小时，阻尼对固有频率的影响非常小，可以忽略，因此可以通过结构无阻尼的自由振动方程计算结构的固有特性。即，

（[K]-ω2[M]）{u}={0}

假定为谐运动

上面方程有非零解的条件为其特征方程为零，即

Det（[K]-ω2[M]）={0}

N自由度系统有N个固有频率（共振频率）与固有频率对应的特征向量称为模态形状。该文采用有限元法。其基本思路是将连续系统分割成若干个微小单元，求解每个单元的近似解，再将所有单元按照标准方法加以组合从而形成原有系统的一个数值近似系统，即数值模型。

2 有限元模型的的建立

汽车排气系统自排气歧管出来后大致可分为，热端总成，冷端总成，排气尾管，其中，热端总成与冷端一般通过挠性节连接，挠性节具有一定的柔性，通过调整其刚度可以改变排气系统的整体受力情况。排气系统通过发动机和吊钩与汽车底盘连接，发动机的有限元模型可以相应简化，发动机信息包含发动机质量，质心，转动惯量及悬置的位置和刚度，吊钩通过橡胶吊耳与底盘连接，某汽车排气系统的具体有限元模型见图1所示，所使用软件为Hyperworks。

有限元参数输入：

3 排气系统吊钩力及吊钩分布的求解

发动机转速范围600～3000 Hz，相应频率为20～100 Hz

输入边界条件：发动机悬置与所有吊钩全约束

输入激励：发动机质心上输入额定扭矩100 N/m，

应用有限元求解器 MSC.Nastran.

吊钩力如图2所示。

吊钩分布云图如图3所示。

4 结语

该文对某车型的排气系统进行了有限元分析，基于模态方法求解出了吊钩力及吊钩分布，其中在发动机转速范围内没有出现很大的吊钩力，吊钩位置分布在位移响应较小的地方，从而预估了排气系统对整车的NVH特性。

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