基于ANSYS 的汽车排气系统模态分析

何云飞，唐岚，江昊

（610039 四川省 成都市 西华大学 汽车与交通学院）

0 引言

伴随汽车行业和物流业的飞快发展，中重型车辆保有量在逐渐增加，同时，汽车尾气污染和噪声污染也在逐渐增多，大大增加了城市环境治理的难度，在全球倡导节能减排的大背景下，对汽车排气系统的优化就显得尤为重要。但是，在汽车设计过程中，排气系统的设计及在整车上的布置等大多都只是根据工程设计经验进行简单的定性分析。

本文利用有限元分析方法对汽车排气系统进行模态分析。有限元分析方法的基本思想是离散化且它建立在严格的理论基础上，对复杂的几何构形和各种物理问题都相适应，是工程应用中的可靠工具，通过模态分析可以确定自然频率、振型和振型参与系数[1]。本次排气系统分析是以某中型汽车原装排气系统为基础，在保证排气管道整体尺寸和结构相同的条件下，应用软件优化设计得出方案1 管道直径为80 mm 和方案3 保持原装主体管道100 mm 的直径不变，在进口第1 个弯道后20 mm 处，将管道直径由100 mm 渐变到90 mm，再渐变回100 mm，到消声器前200 mm处结束渐变，方案2 为原始数据即管道直径为100 mm，将3 种方案建立模型并进行模态分析，通过ANSYS Workbench 软件分析的结果判断排气系统的优劣，为汽车减噪设计提供依据。

1 建立排气系统有限元模型

1.1 排气系统结构

某中型车排气系统的主要作用是利用最小流动阻力，把发动机工作过程中产生的废气排除，降低缸内压力，有利于混合气的正常燃烧[2]。该车排气系统组成包括排气管、排气制动阀、波纹管和消声器，排气系统结构示意图如图 1 所示。

1.2 排气系统的模型建立

以某中型车辆的排气系统为本次研究对象，对柴油机和排气系统一维建模，通过GT-POWER软件分析得出管道直径为80 mm 的排气系统优于原装管道直径为100 mm 的排气系统，故将管道直径为80 mm 的排气系统定为方案1，将原装管道直径为100 mm 的排气系统定为方案2，并在此基础上设计了方案4，即保持原装主体管道100 mm 的截面直径不变，在进口第1 个弯道后20 mm 处将管道截面直径设置为100 mm 渐变到90 mm，再渐变回到100 mm，直至到消声器前200 mm 处[3-5]。

图1 排气系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of exhaust system structure

应用SolidWorks 搭建3 种不同截面直径排气系统的简化三维模型，如图2 所示。

图2 简化后排气系统管道结构示意图Fig.2 Schematic diagram of simplified exhaust system pipeline structure

（a）方案1 排气系统管道截面直径80 mm（b）方案2 排气系统管道截面直径100 mm（c）方案3 排气系统管道截面直径渐变

2 排气系统的模态分析

2.1 模态分析理论

对于一个n 自由度线性定常系统，其数学模型为[6]

式中：M——质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——系统的刚度矩阵。X——系统的位移向量；F——激励力向量，分别表示为

因为排气系统中结构阻尼影响较小，所以在分析时阻尼可以忽略不计，由式（1）可得：

模态分析中，振动模态ωi 和模态Φi提取的数学模型[1]为

2.2 前处理

2.2.1 材料设置

排气系统管道所用材料为ss304 不锈钢，其厚度为1 mm，具体的材料性能参数如表1 所示。

表1 管道材料性能Tab.1 Pipeline material properties

2.2.2 排气系统管道的网格划分

ANSYS Workbench 中有可靠的网格划分工具以及友好的界面设置，提高了设计效率、降低设计成本以及设计周期[7]。本文使用ANSYS Workbench 软件自带的网格划分工具对排气系统的3 种方案进行网格划分。由于这3 种方案的外形结构和总体尺寸相同，所以划分的方法相同，它们的节点数和单元数相差不大。如图3 展现了第3 种方案的效果图，其节点数为135 239，单元数为67 403。

图3 网格划分Fig.3 Meshing

2.2.3 边界约束

排气系统的安装结构如图1 所示，其一端由法兰与发动机连接，在消声器处使用支架固定在底盘下方，与发动机接触部分使用全约束处理，消声器上支架处使用弹性约束处理。

2.3 后处理

本次模态分析采用Block Lanczos 法，该方法对刚体振型结构的处理效果好，常用于实体单元或壳单元的结构模型，有无初始截断点都同样有效，对于提取50～100 个自由度的中大型模型的大量振型，这种方法很有效[8]。

在ANSYS Workbench 中分析的阶数由原来的6 阶扩展到了12 阶，本文提取了3 种方案的排气系统在自由状态下和约束状态下的模态分析。表2 所示为在无约束状态下的模态频率；约束状态下的模态频率如表3 所示。

表2 无约束状态下的模态频率Tab.2 Modal frequencies in unconstrained states

（续表）

表3 约束状态下的模态频率Tab.3 Modal frequencies in constrained states

对比表2 和表3，挑选在约束状态下排气系统管道的截面直径渐变的1，3，5，7，9，11 阶的振型图如图4 所示。

对比3 种方案的自由模态和约束状态下的模态频率以及振型图可以看出，排气系统的表现多为摆动和弯曲，再结合发动机的排气激励分析。

图4 截面直径渐变管道振型图Fig.4 Vibration mode diagram of section diameter gradient pipeline

发动机的排气激励频率[9]

式中：i——气缸数；n——曲轴转速，r/min；τ——发动机冲程数；f ——发动机激励频率。

根据表4 潍柴动力WP6.240 的发动机参数，通过式（4）可以计算得出汽车在额定功率下的激励频率为115 Hz，工况在最大扭矩下的激励频率为60～90 Hz。

表4 潍柴动力WP6.240（二代）发动机参数Tab.4 Weichai WP6.240 power engine parameters

如图5 所示，通过对约束状态下12 阶的模态频率对比可知，在消除共振和噪音的功能上，在额定功率下截面直径为80 mm 的排气系统更具有优势；在最大扭矩下，截面直径在90～100 mm渐变的排气管更具优势。

图5 模态频率折线图Fig.5 Modal frequency line graph

通过上述分析得出不同使用工况下的车辆，在排气过程中，合理改变不同部位的管道截面直径大小，可以有效改善排气系统的性能。

3 结论

在降噪减振方面，管道直径80 mm 较其他两种方案更具有优势，而在大扭矩下,则是采用管道直径渐变的排气系统更好，对于排气系统的结构设计而言，好的排气系统管道对排气系统背压、发动机的性能都能很好地提升，同时在全球车企往车辆轻量化研发的大环境下，汽车排气系统的改进不仅有助于汽车轻量化，也将会对环境治理提供助力，但是目前人们对于车辆的使用目的不同，仅凭上述对单一实验对象的研究结果还无法广泛应用于不同的使用需求，因此还需要对更多的车辆进行分析，以完善实验结果。