模态分析方法在汽车排气系统振动研究中的应用

李长玉,王 丽

(华南理工大学广州学院 汽车工程学院,广东 广州 510800)

模态分析方法在汽车排气系统振动研究中的应用

李长玉,王 丽

(华南理工大学广州学院 汽车工程学院,广东 广州 510800)

汽车排气系统的振动和噪声对汽车舒适性和排气系统寿命都有很大影响。 汽车排气系统为多自由度复杂系统，传统方法很难对其振动特性进行分析。为解决此问题，引入了模态分析方法，建立了汽车排气系统精细的有限元模型，对有限元模型进行频率范围在0～150Hz内的边界约束状态下的模态分析，获得其在150Hz以内的各阶固有频率及其所对应的振型图，并根据结果对该排气系统进行振动特性分析。

排气系统；CATIA； ANSYS ；模态分析

作为车辆NVH(振动、噪声和舒适度)的重要评价指标之一，汽车排气系统的振动与噪声对整车的舒适性和排气系统各组成部件及悬挂装置的使用寿命都有很大影响。排气系统的主要振源来自于发动机工作时的振动，因而排气系统的振动是不可避免的。排气系统的一端采用法兰与发动机实现刚性连接，另一端通过橡胶吊耳与车辆底盘实现弹性连接，其整体属于复杂的多自由度系统，使用传统的振动理论进行分析已很难得出准确的结果[1]。因此，本文引入了有限元分析中的模态分析方法来研究排气系统的振动特性。

首先根据排气系统的实物数据，利用CATIA软件建立合理的简化几何模型，保存为ANSYS能够识别的格式并将其导入到该软件中，在经过合理的网格划分过程后生成排气系统的有限元模型；然后对有限元模型进行频率范围在0～150Hz以内的边界约束状态下的模态分析，获得其在150Hz以内的各阶固有频率及其所对应的振型图。通过分析各阶振型图的运动状态和其所对应的频率来分析排气系统自身的振动特性。

1 建立排气系统三维实体模型

排气装置一般由排气支管、排气管、波纹管、催化转换器、氧传感器、消声器、排气尾管和悬挂装置等组成[2]。

建立排气系统几何模型时，根据排气系统的结

构及工作特点，在保持其力学性能不变的情况下，对其结构进行了简化：

a.将主、副消声器上边缘的翻边工艺特征忽略，既有利于简化建模，也有利于在进行有限元模型建立时降低划分网格的难度。

b.忽略氧传感器的安装孔和两排气管路间连接法兰等几何特征。

c.假设排气系统整体的壁厚都相等，以便于网格的划分。

本文以某型汽车为例，建立其排气系统模型如图1所示。

2 排气系统模态分析

2.1模态分析理论

模态是机械结构的固有特性。弹性系统的每阶模态都有其固有频率、阻尼比和振型。获取结构的模态参数对评价该结构的动态特性及对其进行优化设计具有重要意义。结构的模态可以通过试验方法取得，称为试验模态分析，也可以通过有限元计算的方法获得，称为理论模态分析。

本文采用有限元计算方法对汽车排气管进行理论模态分析。

2.2排气系统有限元模型建立

将排气系统三维模型导入ANSYS，其材料属性见表1。

该车型排气系统组成大部分为薄板结构，因此在进行网格划分时主要采用壳单元来进行模拟。由于此排气系统结构较复杂，在建立模型时进行以下处理：一般情况下用于减振和位移补偿的波纹管用弹簧单元来替代，本文在建模时对波纹管进行了简化，建立其壳模型，然后将该模型组装入系统，采用壳单元进行模拟。为简化计算过程，不考虑焊点问题。

使用自动划分法对该排气系统进行网格划分，共得到59 386个节点、30 661个单元。如图2所示。

2.3排气系统模态分析

排气系统的一端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橡胶吊耳悬挂在车辆的底盘上，而橡胶吊耳的性能类似于弹簧，所以可以将其设置成弹性约束。通过查阅相关研究资料可知，橡胶吊耳在低频时的刚度可以看作是线性的，查阅该车型维修手册可得知其排气系统的橡胶吊耳低频刚度为20N/mm。

在ANSYS Workbench模态分析设置中设定固有频率范围是0～150Hz，根据该车型维修手册中使用的约束情况，设置约束边界，使用“Solve”命令对排气系统有限元模型进行模态分析计算，共得到6阶模态频率及模态振型。其各阶模态频率见表2。

各阶模态振型如图3～图8所示。

由1阶振型图可以看出，排气系统的主体运动是沿Z轴的往复运动。其中1号管进气口壁面施加了固定约束，所以1号管的运动幅度较小，从波纹管开始至4号管末端的运动幅度是先逐渐增大然后再逐渐减小，逐渐减小的原因是在4号管末端的外壁面上部设置了弹性约束；同样的，2号管运动幅度不大的原因是在其靠近副消声器进气口的管道外壁上设置了弹性约束。最大位移点产生在3号管第二转角及第二转角与第三转角中间直管段，最小位移点则产生在1号管进气口壁面上。

由2阶振型图可以看出，排气系统的主体运动与1阶振型大致相同，最大位移点由1阶振型的3号管第二转角及第二转角与第三转角中间直管段转移到了第二转角前部直管上的一小块区域里，面积有明显的减小，最小位移点的位置则与1阶振型相同。

由3阶振型图可以看出，排气系统的主体运动是沿Y轴做往复运动。由于副消声器与3号管上并没有约束条件，加上长度较长，所以运动幅度较大，最大位移点产生在靠近副消声器排气口的3号管直管上的中部区域里，最小位移点的位置则与前两阶振型相同。

由4阶振型图可以看出，排气系统在沿X轴做往复运动的同时，3号管与主消声器也有沿Z轴的小幅度偏移运动。由于1号管进气口壁面设置了固定约束，所以1号管的前半部分的运动幅度较小，而与1号管十分接近的2号管则受到前部向前挤压运动的影响，在第二转角出现了较大幅度的弯曲；同时由于在主消声器进气口与排气口的外壁面上设置了刚度为20N/mm的弹性约束，所以主消声器虽然靠近最大位移区域，但其主体形状并没有发生大的改变。最大位移点产生在3号管第二转角附近区域里，而最小位移点的位置则与前3阶振型相同。

由5阶振型图可以看出，排气系统的主体运动是绕X轴做近似钟摆运动。其中，副消声器至排气尾管部分沿Y轴的运动幅度较大，最大位移点产生在3号管第二与第三转角及其连接部分的深色区域里，最小位移点则产生在1号管进气口端面上的深色区域里。

由6阶振型图可以看出，2号管对激励的响应程度最大，主要表现为沿Y轴的往复运动，并伴随有沿Z轴的偏移运动。副消声器及3号管则受其影响沿X轴做往复运动且运动量在5阶振型图的基础上进一步减小，有逐步转化为沿Z轴往复运动的趋势。其中2号管的运动偏移幅度最大，最大位移点产生在其第二转角下表面的深色区域里，最小位移点的位置则仍在1号管进气口的壁面上。

3 排气系统的振动分析及结论

该车型所配备的是直列四缸四冲程发动机。发动机的激励频率计算公式为[3]：

式中：i为发动机气缸个数；n为发动机曲轴转速，r/min；τ为发动机冲程数。

发动机经常处于经济转速工况以及起动怠速工况，所以研究这2种工况下发动机的激励频率对排气系统的振动优化具有参考价值。通过查阅该车型的维修手册，得到其发动机的怠速转速为800r/min，经济转速为3 000r/min，代入式(1)中求得：fidle=26.67Hz(怠速激振频率)，feco=100.00Hz(经济车速激振频率)。对照表2可知，发动机在怠速与经济转速工况下的激励频率与排气系统在约束状态下模态分析的固有频率值不相同，并且数值不接近，能够避免共振。第5,6阶固有频率对应的发动机转速超过3 600r/min，为发动机运行时不常用转速，影响不大。

在汽车发动机常用的转速范围800～3 500r/min内有2,3,4阶可能发生共振。为延长排气系统的寿命，保持其良好的使用性能，应尽量避免发动机的转速长时间停留在可产生共振的转速附近，以防止共振现象的发生。

[1] 鲍恩涛.汽车排气系统动态特性研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[2] 唐文初，邓宝清.汽车构造[M].广州：华南理工大学出版社，2010.

[3] 万茂林,张光慧,杨超云.汽车排气系统的模态分析[J].天津汽车,2011(9):48-50.

The application of modal analysis method in vibration evaluation of automotive exhaust systems

LI Changyu, WANG Li

(Guangzhou Institute, School of Automotive Engineering,South China University of Technology, 510800, China)

Noise and vibration of vehicle exhaust system have great impact on the vibration and noise of automobile exhaust system. In order to improve vehicle comfort and extended the service life of components of the exhaust system, it analyzes the complex exhaust system, introduces a modal analysis method to study the vibration characteristics of the exhaust system. Firstly, according to real data of the exhaust system to establish simplified reasonable 3D model through the CATIA software,it builds the constraint boundary modal analysis between 0 to 100Hz in the finite element model of the exhaust system, obtains their natural frequencies and modes of vibration under 100Hz. Through the analysis of these modes of vibration, it gains the vibration characteristic and presents the brief advice about how to optimize the exhaust system.

exhaust system; CATIA; ANSYS; modal analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.012

2015-01-22

李长玉(1981—)，男，湖北老河口人，华南理工大学广州学院讲师，博士研究生，主要研究方向为汽车振动与噪声控制。

U464.149

A

2095-509X(2015)04-0049-04