（动力机械及工程专业论文）乘用车排气系统悬挂位置设计及隔振控制研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：团静日期：迦! 筚赴缨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：固籀 导师签名： 日期：趔! 脚j 蛔 摘要 由于全球车辆保有量的逐渐上升，汽车排放及噪声给人们居住环境造成了严 重污染。在汽车的各个组成部分中，发动机总成是汽车排放和噪声的主要源头， 而排气系统对于控制发动机传递来的尾气及噪声有着重要作用。车辆运行时，排 气系统承受来自发动机的周期性动载荷，引起排气系统振动从而影响系统结构件 以及橡胶吊耳的疲劳寿命及可靠性，同时，周期性振动通过排气系统挂钩和橡胶 悬挂传递到车体，影响车身结构的噪声振动平顺性( n v h ) 性能指标，因此有必要 对排气系统振动特性进行分析与优化。 通过模态分析可以得到排气系统的频率和振型，可以为排气系统结构系统振 动性分析，其振动故障诊断和预报以及结构动力特性优化设计提供依据。模态分 析可分为数值模态分析和实验模态分析。本文采用数值模态分析和实验模态相结 合的方法对排气系统进行分析，一方面可准确获得模态参数，另外也可以验证有 限元模型的准确性。采用模态分析考查整个排气系统的固有频率是否与发动机怠 速激励频率及车体固有模态错开，进而避免产生共振。 本文以某乘用车排气系统为研究对象，以h y p e r m e s h 和a n s y s 有限元分析软 件为工具，首先对排气系统各子部件进行有限元模型搭建，其中详细对比分析消 声器不同简化方式对壳体模态的影响，最后本研究的消声器采用了与实际情况较 符合的简化方式，模态实验的结果与仿真结果比较吻合，表明此种方式的有限元 模型是合理的。用平均驱动自由度位移a d d o f d 的方法对排气系统的挂钩位置作 了设计和调整，并采用静力，约束模态及动力分析进行验证计算。计算结果表明， 调整后的排气系统受力更加均匀，避开了发动机怠速激励频率范围，传递到车身 的动态响应力也得到改善。利用正交设计的方法设计橡胶吊耳动刚度的搭配方 案，并进行静力和动力计算，找出了最优化的方案，而且此方案的橡胶隔振系统 的传递力也得到改进。 本文采用的悬挂点设计的理论方法相对于传统更准确方便，本文提出的挂钩 和吊耳隔振性能评价方法，对于检验设计挂钩结构及橡胶隔振系统的性能有一定 的工程参考价值，它对于指导解决开发设计初期排气系统振动及提高整车舒适性 有重要的作用。 关键词：乘用车，排气系统，悬挂点布置，数值模态分析，有限元分析 a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n go ft h er e t a i n e dv e h i c l e s ，t h ee x h a u s tg a sa n dn o i s ep o l l u t et h e e n v i r o n m e n tw h e r ep e o p l ea r el i v i n g i nt h ec o m p o n e n t so f v e h i c l e ，t h ee n g i n e si st h e m a i nc a u s eo fn o i s ea n de x h a u s tg a s t h e r e f o r e ，t h ee x h a u s ts y s t e mi si m p o r t a n tf o r t h ec o n t r o lw o r ko fn o i s ea n de x h a u s tg a sw h i c ha r et r a n s f e r r e df r o mt h ee n g i n e w h e nt h ev e h i c l ei sr u n n i n g ，t h ee x h a u s ts y s t e mv i b r a t e sb e c a u s eo ft h ef i e q u e n tl o a d f r o mt h ee n g i n e t h e r e b y ，t h ev i b r a t i o nh a s 姐i m p a c to nt h ef a t i g u ed u r a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e sa n di s o l a t o r s a tt h es a m et i m e ，t h ev i b r a t i o nm a yb e t r a n s f e r r e dt ot h eb o d yt h r o u g ht h eh a n g e r sa n di s o l a t o r s ，a n dt h en v hl e v e lw i l l d e c r e a s e s o ，i t sn e c e s s a r yt os t u d ya n do p t i m i z et h ev i b r a t i o no ft h ee x h a u s es y s t e m m o d a la n a l y s i sc a l lh e l pt og e tt h em o d es h a p ea n df r e q u e n c ya n dg i v et h e t h e r o yb a s i so fv i b r a t i o na n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i sa sw e l la ss o m eo p t i m i z i n g w o r k m o d a la n a l y s i sc a nb ed i v i d e dt ot w ok i n d s 吐l et e s tm o d a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a lm o d a la n s l y s i s t h i sp a p e ru s e sb o t ht h et e s tm o d a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l m o d a la n s l y s i st os t u d yt h ee x h a u s ts y s t e m u s i n gt h em o d a la n a l y s i s ，t h em o d a l f i e q u e n e ya n ds h a p eo ft h ee x h a u s ts y s t e mc , f l l lb eg o t t h e ni tc a l lb ek n o w nw h e t h e r t h em o d a lf r e q u e e yi sk e p tf r o mt h ee n g i n ei d l es p e e de x c i t i n gf r e q u e n c y i nt h i s p a p e r , b a s e d o i lt h ee x h a u s t s y s t e mo fap a s s e n g e rc a l ，w i t h s o f l w a r e s h y p e r m e s ha n da n s y s ，f e am o d a lo ft h ee x h a u s ts y s t e mi sc o m p l e t e d , f i r s t l y e s p e c i a l l y ，t h ed i f f e r e n tf e am o d e l so ft h em u f f l e ra r ec o m p a r e d , a n dt h i s p a p e rc h o o s e st h em o d e l sd o s e dt oa c t u a ls t r u c t u r e s t h em o d a lt e s tr e s u l ti sd o s e d t o t h es i m u l a t i o nd a t a , s ot h i sw a yt ob u i l dt h ef e am o d e lo ft h em u f f l e si sr e a s o n a b l e a d d o f di su s e dt od e s i g na n da d j u s tt h eh a n g e rl o c a t i o n s ，f r o mt h er e s u l to ft h e s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i s ，t h ef o r c eo ft h eh a n g e r si sm o r e a v e r a g e ；t h em o d a lf r e q u e n c yi sk e p tf i ：o mt h ee n g i n ei d l es p e e de x c i t i n gf i e q u e n c y ； t h ef o r c et r a n s f e r r e dt ob o d yb yi s o l a t o ri sr e d u c e d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r ， o r t h o g o n a ld e s i g ni s u s e di n t ot h ei s o l a t o rc l y n a n l i es f t i f f n e s so p t i m i z i n g ，a n dt h e r e s u l ti n d i c a t et h i si d e ai se f r e c t i v ea n dt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o no ft h er u b b e ri s o l a t o r s y s t e mi si m p r o v e d f i n a l l yt h ew a yt oa n a l y z et h ee x h a u s tv i b r a t i o np e r f o r m a n c ei sh e l p 觚f o r e n g i n e e r i n gp r o j e c t h o w e v e r , t h ei d e ao fd e s i g n i n gh a n g e rl o c a t i o na n do p t l m i z i n g t h ei s o l a t o rd y n a m i cs t i f f n e s sc a nb eu s e dt og m d et h ed e s i g na n dm o d i f yo ft h e e x h a u s ts y s t e mi nt h eb e g i n n i n gp e d o do fv e h i c l ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：p a s s e n g e rc a l ，e x h a u s ts y s t e m , h a n g e rl o c a t i o n , n u m e r i c a lm o d a la n a l y s i s ， f e a i r 摘要 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论 i l 1 1 研究背景和意义1 1 2 排气系统振动研究国内外发展3 1 3 课题来源和目的7 1 4 本文主要研究内容7 第2 章排气系统振动理论分析 2 1 排气系统振动概述。9 2 2 有限元分析简介1 1 2 3 模态分析理论13 2 4 挂钩位置选择理论17 2 5 正交法理论18 2 6 本章小结2 0 第3 章排气系统f e a 模型研究。2 2 3 1 排气系统有限元建模概述2 2 3 2 连接法兰建模。2 3 3 - 3 三元催化器建模2 4 3 4 球形法兰建模2 5 3 5 消声器建模2 6 3 6 排气管建模3 3 i v 3 7 挂钩杆建模3 3 3 8 橡胶悬挂建模3 3 3 9 本章小结3 5 第4 章捧气系统模态验证分析 4 1 排气系统数值模态验证分析3 6 4 2 排气系统试验验证分析。4 4 4 3 本章小结4 8 第5 章排气系统的橡胶隔振系统性能分析。 4 9 5 1 排气系统悬挂点优化及分析4 9 5 2 排气系统橡胶吊耳动刚度优化及分析5 5 5 3 本章小结61 第6 章总结与展望6 ：i 6 1 研究工作总结6 2 6 2 研究不足及展望6 3 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 v 6 4 6 7 。6 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 由于全球车辆保有量的逐渐攀升，汽车排放及噪声给居民的生活环境造成 的污染也日趋严重。这两个指标的好坏直接关系着车辆的n v h 品质。汽车在 行驶过程中，如果汽车越平稳越舒适，且车内噪声越小，也就意味着车辆的品 质越好，因而控制和降低汽车振动是各大科研机构及汽车企业十分重视的问题。 发动机是汽车排放和噪声的主要源头，汽车排气系统对于控制发动机传递来的 尾气及噪声有着重要作用。在当今环保要求日益严格的形势下，排气系统在对 整车品质的影响也日益显著。排气系统在保证发动机正常顺利地排出废气的同 时，又必须保证所排出的废气之中污染物指标达到各地的环保要求，更为重要 的是，排气系统还需要能有效的降低发动机排气噪声。因此对于排气系统的结 构及性能进行研究是十分有必要而且意义重大的一项工作，它不仅关系着汽车 的各项排放指标，而且影响着车辆运行时的振动噪声水平及可靠性。 运行中的汽车其最主要的噪声源来自发动机的排气噪声，约占各种噪声源 贡献值的3 0 。而且，排气系统内气流速度和排气噪声也随着内燃机转速和强 化程度的提高而日益增大，因此整车噪声有增大的趋势。如果采用仅靠从噪声 源本身来控制内燃机排气噪声的手段，降噪量是十分有限的。最有效且简单的 降噪措施是采用排气消声器。然而，在排气系统中引入消声器来降低发动机整 机噪声的同时，也会带来一些不利的影响，如发动机排气经过消声器时由于消 声器内部结构截面积的变化，使得排气不顺畅，排气背压升高，甚至可能会影 响发动机动力性及经济性能【l j 。而且，由于排气系统消声性能要求的逐渐变高， 其内部结构复杂多样且容积的会不断变大，相应的也会给消声器提出更高的结 构强度及耐久性的使用要求。排气消声器不仅要承受来自发动机的高温汽流冲 击，而且自身需足够的结构要求而不致产生壳体辐射噪声。为了减少排气背压， 则要求其管道变大，现在许多排气系统的质量也超过以往的传统排气系统的质 量范围，因此如今这些变得沉重而复杂的排气系统的振动特性必须得到足够的 关注。另外作为一个多自由度的复杂系统，当车辆运转时，排气系统要承受来 武汉理工大学硕士学位论文 自发动机的周期性动态载荷，引起排气系统振动，进而也会给系统结构件以及 橡胶吊耳和挂钩组的疲劳寿命及可靠性带来不利影响；另外，挂钩和橡胶吊耳 会将这种周期性能量传递到车体，影响整车n v h 品质，即噪声，振动及舒适 性。如果汽车长期处于这类复杂且恶劣的交替工况下，排气系统很容易就损坏。 所以汽车排气系统的橡胶隔振系统( 橡胶吊耳及挂钩组合) 在降低系统冲击及 隔离振动中起着十分重要的作用。因此非常有必要对排气系统振动特性进行分 析与优化。确保整个排气系统的固有频率与发动机激励及车体的固有模态频率 错开，避免产生共振，并且满足设计要求。 通过模态分析可以得到排气系统的各阶频率和振型，可以为排气系统结构 作系统振动性分析，对振动故障进行诊断和预报，而且可作为结构动力特性优 化设计的依据。模态分析可以分为实验模态分析及数值模态分析，它们是通过 不同的方式来获得系统的固有振动特性。实验模态分析，它是基于系统响应和 激振力的动态测试，然后经数据信号处理和参数识别来确定系统的模态参数的。 通过实验模态分析不仅可以获得排气系统的固有频率，振型及阻尼等模态参数， 在另一方面它也可用于验证排气系统数值模型的准确性。通过实验模态分析和 理论模态分析相结合进行研究，是现阶段常用的模态分析的方法。数值模态分 析是采用数值计算的方式求解模型的特性参数方法，通常是基于计算分析软件 来进行的。随着计算机模拟和电子技术的迅猛更新，有限元计算软件也得到高 速发展，目前也涌现了大批优秀的有限元分析软件包，如h y p e r w o r k s ，a n s y s ， m s c n a s t r a n ，a b a q u s 等。采用这些软件进行求解，可以高速精确地求出结果。 数值模态分析在开发初始阶段不仅可以有效指导试验工作，降低成本，还能缩 短开发周期。在消声器结构分析和排气系统悬挂设计的开发初期都采用有限元 计算方法来进行数值模态分析，以便于对排气系统固有振动特性进行识别，分 析和评价，并从中找出排气系统在动态性所存在的问题，可为改进结构设计提 供依据。 排气系统的动力分析可以用来分析传递到车身及底板上力的分布和大小， 其分析结果也是排气系统开发设计的一个重要指标，当这个值没有达到一定的 目标时，就必须对设计的排气系统进行修改和调整。在开发设计初期，通常是 通过有限元计算的方式来得到这个传递力的分布，这个与数值模态分析类似。 同时它也是评价和指导挂钩及隔振器这一橡胶隔振系统的一项重要分析。动力 分析的结果可以直观的显示出各个悬挂点处的动态响应情况，为排气系统修改 提出一定的参考，是排气系统n v h 分析中一个不可或缺的内容。 2 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，对排气系统进行固有特性及动态特性的研究，可以对排气系统 动力特性进行预测，了解排气系统对于车身各部分振动的传递情况，为排气系 统设计提供结构改进建议，满足整车的n v h 指标。而通过计算机模拟技术细 化研究排气系统零部件，如波纹管，橡胶吊耳，消声器结构，挂钩形状等，这 控制排气系统振动特性有着关键性的作用。 1 2 排气系统振动研究国内外发展 1 2 2 国内研究成果 就排气系统的振动研究问题，国内的研究水平相对滞后，对于排气系统的 研究起步于本世纪初期。从文献检索来看，国内的研究领域大多集中在消声器 及排气系统，基础的有限元模型搭建和简单求解分析上，近几年来随着仿真技 术和计算机水平的进步，对于排气系统动态特性模拟和试验研究的有了进一步 深入。 邢素芳，王观荣等人【i 】曾运用有限元分析及试验结合来寻找发动机排气系 统开裂位置的情况，探讨了采用有限元法求得排气系统各阶频率的基本步骤和 方法。文章中对排气系统进行简化时，使用了较为复杂的三维有限元模型，这 不同于以往的一维建模方式。 杨万里 2 1 等人对于排气系统各部件的简化作了详细的探讨，并对排气系统 进行了模态计算。对比不同的简化方式对计算结果的影响得出：对于催化器及 消声器的完全网格模型的计算结果与实测值有较大的误差，但是采用简化的方 式则与测量值较吻合，相对于前人的研究工作，在排气系统零部件的简化上， 此文的研究更加深入和细化。 近几年来，国内的排气系统数值模态及实验模态分析的研究都得到进一步 深入，并且对于悬而未决的挂钩及吊耳的动特性等问题都作了探索。赵海澜等 【3 】提出了通过模态分析和模态试验相结合的方法提出优化悬挂位置的一种新方 法。后来，国内有关科研机构对此法进行了深入研究，并也采用此法进行实际 计算和应用，结果表明此法对于设计初始挂钩位置比较便捷有效 4 1 【5 j 。 王继先等【6 】人，对于内燃机排气系统振动特性进行了分析。建立有限元分 析模型，实验模态分析的实验结果和计算值相差在1 h z 以内，同时也验证了有 3 武汉理工大学硕士学位论文 限元模型的准确性，通过改变橡胶吊耳的位置，来改变排气系统固有特性，解 决了排气系统怠速工况下的振动剧烈的问题，文中提出的改进排气系统振动剧 烈的方法，对工程研究具有一定的借鉴意义，但未具体说出改变悬挂点的具体 方法。 李松波【7 】对于车辆排气系统振动建模与动力学特性作了较深入的研究，建 立排气系统一维梁单元模型，并进行了模态实验验证，对排气组件敏感度进行 了探讨，对排气系统主要振动源下的排气系统的动力传递特性进行研究【8 】，分 别对路面激励和发动机激励的振动传递特性进行了分析，并对两种模型进行了 实验验证。这种模型的建立对排气系统动力学分析提供了指导作用。 王春慧 9 1 通过试验发现排气系统振动问题，找出了悬挂对排气系统的影响， 并提出了通过理论及经验悬挂的布置方法，有限元分析结果，。模态试验及实车 振动加速度试验进行验证。文中的论证分析和试验验证的方法有重要的工程意 义，对整车n v h 优化和研究有重要的参考价值。 2 0 0 9 年我国华南理工大学的黄志【l o l 等人对于排气系统吊耳设计的原则进 行了归纳和研究，从各类吊耳结构特点出发，系统的阐述了吊耳的典型结构和 常规设计原则。为排气系统隔振系统设计和研究人员提供了参考和指导。 2 0 1 0 年上官文斌掣1 1 】人对于排气系统吊耳设计及动刚度优化方法作了研 究，采用计算机辅助实验设计对吊耳的动刚度优化，并且达到较好的效果，同 时提出的优化目标函数还可以兼顾排气系统振动和吊耳的耐久性能。 同年刘名，翁建生等【1 2 1 人也发表了排气系统振动分析和悬挂点位置优化的 学术成果，采用有限元分析得出某一车型的排气系统的固有频率并找到振型节 点，分析出吊耳垂直方向刚度对排气系统固有频率的影响规律。另外求解谐响 应分析，得出系统传递到车身底板的动态力规律，且通过优化吊钩位置降低了 这些传递力峰值。 另外，泛亚汽车技术中心的张宏波等【1 3 】人对汽车排气系统橡胶隔振装置设 计也有深入研究。在分析布置了排气系统悬挂点的基础上，对悬挂吊耳的耐久 性能，隔振性能进行了分析，并采用正交设计法设计了吊耳动刚度，选出具有 最佳动态响应性能的吊耳隔振方案，此方法对汽车排气系统橡胶吊耳的设计优 化和规范奠定基础。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 国外研究成果 国外的学者早在上个世纪末就在排气系统的建模已经进行了大量的研究， 且对排气系统动态特性及设计思路在计算机模拟及试验都有了较深层次的研 究。 上世纪九十年代，l i n g t l 4 】等人对排气系统一维模型简化进行研究。利用了 梁单元来离散化排气系统，同时提出以吊耳传递动态载荷最小这一原则，来优 选吊耳的动刚度。此文研究动刚度的方法对于后文研究具有深刻的指导意义， 然而文中没有考虑动力总成子模型，而且在排气管前施加正弦位移激励来模拟 动力总成激励。 后来1 9 9 9 年，c h a n g m y u n gl e e 等发表过关于使用简化了的有限元模型对 排气系统的振动模态及频率响应研究的文章【1 5 1 。此文验证采用b a r 单元简化 排气系统，来进行有限元计算可认为是准确合理的，可以用于模拟排气系统真 实的固有振动情况，然后采用对系统各个组件的刚度及质量分布等进行调整的 方法提高系统的可靠性。 h e i n e rs t o r c k 等人【1 6 1 对于汽车排气系统结构模态试验方面的工作作了深入 研究。具体来说，对自由，弹性支承和实车这三种状态下的排气系统作了模态 试验。对自由模态和仿真结果作了对比，相对而言，采用两端支承状态和实车 状态的试验结果表明这两种状态下模态振型较复杂。并且对试验方法，试验点， 试验设备都作了详细介绍，最后试验模态的结果验证了数值模态分析的有限元 模型准确性。 x i t i a nf a n g 等人【l7 】进行了某一排气系统动态模拟。动态载荷的选择，试验 数据的处理，阻尼比的确定及非线性刚度都在文中作了详细探讨。通过模态分 析对可能出现破坏的位置进行了预测，并就该问题进行动力分析，最后得出此 动力分析的方法可用于排气系统失效问题分析和研究。 在2 0 0 0 年，k e n d r ae a d s 等研究如何准确简化排气系统橡胶吊耳【1 8 1 。通过 对比，对f e a 模型进行修改及简化研究，以达到将模态计算的精度提高的目 的。同时提出了吊耳与排气系统振动分析及优化的详细步骤，这一方法对于研 究弹性参数的动态特性有着深刻的引导意义。 2 0 0 1 年，b u t k e w i t c h 等1 1 9 1 利用子结构方法对某型商用车排气管前消声器支 架进行了优化改进，通过修改支架尺寸来提高其刚度，调整了排气系统的固有 5 武汉理工大学硕士学位论文 频率，从而避免了与动力总成激励耦合。 另外，在2 0 0 2 年，n i sm o i l e r 等也发表过关于在约束状态下如何采集排气 系统模态参数的具体方法和步骤的文章例。文中对于设置采集位置，加速传感 器位置布置，激励点选择等都作过详细讨论，通过试验验证了有限元分析模型 的可靠性。 j p a n g 等【2 l 】介绍了排气系统n v h 设计的一些基本规范，对排气系统的动 力分析，包括模态，动力以及灵敏度分析都作了归纳，并讨论了尾管设计对排 气系统噪声的影响。提出有关汽车与排气系统接口间的传递函数定义的问题， 可惜并没列出具体的形式。 2 0 0 3 年，j i a np a n g 2 2 1 等人就排气系统波纹管对排气系统振动特性的影响问 题进行了研究，建立了将发动机重量及悬置刚度考虑在内的排气系统振动分析 的新模型。并得出，波纹管的垂直方向刚度是影响排气系统振动传递最重要的 刚度。 同年，w e n b i ns h a n g g u a n 等人团】，对于排气系统橡胶吊耳的静刚度进行了 研究，从理论计算及有限元分析两方面进行考虑，并对计算结果进行了试验验 证。结果表明，文中建立的f e a 的方法在排气系统橡胶件的静特性预测中是有 效的。 2 0 0 7 年，h y o s i gk i l t i 2 4 等人发表了关于汽车怠速振动的排气系统稳建设 计流程。文中对提高怠速振动质量，引入了一种排气系统稳建性设计的思路。 并提出根据实验设计，将f r f 子结构综合的理论引入计算模型中，这样可以得 到更有效的计算模型。另外，研究成果表明，关键模态频率已同目标频率错开， 且峰值振级下降，关键怠速振动值降低了5 d b 以上。 2 0 0 8 年，s a n j a ys p a t i l 和v v k a “2 5 】发表了关于排气系统动力分析的一 种新方法，此文，动载荷选择，试验数据处理及材料属性因温度变动引起的装 配载荷等方面对排气系统影响都进行了阐述。并通过c a e 动响应分析，确定这 些方面的影响可以来预测排气系统的性能和刚度，并提出结构修改措施。 2 0 0 9 年，c h u l h oy | 趾g 【2 6 】等人对消声器设计中的其壳体振动及噪声问题预 测及解决措施作了研究，对比了理论设计与f e a 及测试结果的差异。结果表明 f e a 与测试结果具有较好的一致性。开发了壳体振动和传递损失的预测的 m a t l a b 程序，可用于消声器设计和解决n v h 问题，而且在消声器内爆问题 也有一定的实用和可靠性。 2 0 1 0 年s h u n x i nz h o u 2 7 】等人在排气系统测试与仿真的动态响应关联上作 6 武汉理工大学硕士学位论文 了一些理论研究，介绍了t e n n e c o 研究出的在考虑排气系统谐响应时f e 模型 与试验之间的联系。并引入模态置信因子( m a c ) 来评价两者间的动态关联， 这种方法使得m a c 值得到提高，有限元仿真的验证过程也得提速。但是 t e n n e c o 目前也还在致力于在考虑求解速度和稳定性时的f e 仿真。 1 3 课题来源和目的 本文研究课题的来源于校企合作项目：g p 乘用车排气系统冷端设计与试 验验证。本文的研究属于该项目的有限元分析部分。 本文研究目的是：针对本项目中所设计的排气系统，通过有限元分析包括 静力分析，自由模态分析，约束模态分析及动力响应分析等，以及实验模态分 析来进行初始的验证计算。考查设计的消声器结构是否合理，检验设计的排气 系统是否满足设计要求，各挂钩受力是否均匀，挂钩模态及动刚度是否是在设 计限值以内。通过调整橡胶吊耳的位置以及采用正交设计的方法对于排气系统 的悬挂进行设计和优化，并研究排气系统隔振系统的位置和特性参数，对于系 统模态及传递特性的影响。本文计算和分析结果可用于指导试验研究，节约和 缩短试验时间和成本，并且给予消声器及排气系统设计结构改进方向，使得消 声器的结构设计能够满足设计要求，排气系统的振动特性和动力学特性能够提 高整车的舒适性指标。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究重点是排气系统有限元计算模型的准确建立，排气系统零部件 的相关结构分析，排气系统整体静力学及模态验证分析。通过对排气系统悬挂 点及悬挂刚度相关研究来优化的改进排气系统隔振相关方面的问题。具体的内 容有如下几点： ( 1 ) 研究乘用车排气系统的结构，找出对计算对象进行处理的方法，叙述和 归纳有限元法的理论推导及基本思想等。介绍基于有限元法思想的商用软件 h y p e r m e s h 及a n s y s 的功能背景及其求解方法。 ( 2 ) 介绍排气系统有限元建模方法，特别是对排气系统的各个零部件的简化 方式和原因作详细介绍。并阐述零件简化方式对于整体排气系统模型的影响。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 应用a n s y s 和h y p e r m e s h 有限元分析软件对消声器及整个排气系统进 行模态分析。并对消声器及冷端排气系统进行实验模态分析，对比计算及试验 结果。 ( 4 ) 通过自由模态及a d d o f d 方法找出悬挂点调整位置，并对该布置进行 验证分析的受力，模态和动力学分析。 ( 5 ) 深入分析排气系统橡胶吊耳在排气系统中的作用，对于橡胶吊耳的设计 结构进行探讨就其动刚度对于系统模态进行对比计算。基于正交设计法研究不 同动刚度对排气系统隔振性能的影响。 ( 6 ) 通过本文，总结研究排气系统振动及动力学分析的一些方法和流程，建 立控制排气系统振动及传递力的优化思路和技术实施过程。并指出本文研究中 的遗漏和不足，对本研究做出展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章排气系统振动理论分析 要研究排气系统振动问题，首先得了解排气系统固有振动特性，即获取排 气系统的模态参数等。采用有限元法进行排气系统相关结构及振动研究，成为 各汽车企业普遍采用研究方法。特别是，随着计算机技术的发展及数值计算理 论的深入，排气系统振动问题研究得到进一步发展，并且排气系统结构动态设 计优化等工作都得到了有效开展。本章主要介绍本研究涉及基础理论。 2 1 排气系统振动概述 排气系统的设计质量直接关系到整车的动力性、舒适性和安全性能，同时 对发动机的使用寿命也会产生很大的影响。它的结构设计和振动激励源是控制 排气系统振动以及改进其振动特性的关键切入点。 排气系统的设计一般有如下要求 2 s l ：第一，使发动机产生的噪声和排放降 低到有关法规和标准的同时，排气背压、功率损失等一些参数，要达到发动机 性能要求。第二，发动机废气的排放须正常，且避免对其它各系统进气系统， 冷却系统甚至发动机自身的正常工作带来不良影响。第三，排气系统中的组件， 不能承受过大的应力，因此要控制由排气系统的重量，惯性力，各组件的相对 运动和热膨胀产生的直径变化带来的应力。第四，排气系统应当便于安装，避 免排气系统与车辆的其它部件产生干涉。另外考虑到整车安装空间的限制，排 气系统的体积不能过大。第五，制造生产性能良好，如制造工艺性好，适宜批 量生产；不影响发动性能条件下成本尽可能低。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 排气系统振动激励源 排气系统的激励源主要有五个【2 9 】，如图2 1 所示，( 1 ) 首先，发动机与排 气系统直接相连，因此发动机自身的机械振动会直接传递给排气系统。( 2 ) 发 动机的气流冲击。高速排气气流由汽缸排出，然后激励排气歧管，进而会引起 排气系统的振动。( 3 ) 声波振动。声波在排气管道内流动时，会对排气管及消 声器等部件产生冲击，进而引起振动。( 4 ) 车体的振动。排气系统振动会通过 橡胶隔振系统传给车体，同时车体振动也会被传递到排气系统，然后再逆向传 递给发动机，从而加大和恶化发动机的振动。( 5 ) 路面的随机激励。车体及轮 胎和发动机等部件，会将路面随机激励传递到排气系统上，随后振动由排气系 统再传递回车体。在以上这几种排气系统振动激励源中，影响较大的是发动机 激励和路面激励。路面激励对整车的乘坐舒适性有较大的影响，并且它的激励 频率在人体反应的敏感区域内，是排气系统振动控制研究中的一个重要内容。 而就本文而言，主要从发动机激励的角度来研究排气系统的静动力学问题。本 项目中排气系统的一个重要设计目标也是要避开发动机的激励。 解决排气系统的振动问题主要有以下几种途径【6 j ：首先，是从排气系统源 励源出发，通过改变激励源的激励特性来控制排气系统的振动问题，采用这种 方式的改进，会涉及到发动机的修改，倘若发动机参数发生变化，有可能会带 来发动机经济性动力性能的改变。其次，可以从排气系统自身结构设计着手， 可改变排气系统管道的厚度，长度和直径等参数。厚度的增加虽然可以提高整 个排气系统的固有频率，然而也会引起成本的提高。还有，管道参数的改变也 有可能会引起排气背压及压力波动效应的改变，甚至有可能会影响发动机的性 能改变。再次，从波纹管，橡胶隔振系统这些柔性件入手，调整排气系统与发 动机的排气歧管的连接方式或排气系统橡胶吊耳的位置。可以通过加装波纹管 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 或是球连接件，来隔离和削弱发动机振动能量向排气系统的传递；更改橡胶吊 耳的位置和橡胶吊耳的刚度，排气系统的固有振动特性也会随着改变。 2 2 有限元分析简介 车辆在运转时，排气系统在多种振动激励下工作。在排气系统的整个生命 周期内，它都工作在十分恶劣的条件下，承受着高强度的机械载荷和较高的温 度载荷，排气系统长期处于超负荷的振动状态下，不仅会降低排气系统各组件 的疲劳寿命，还会带来组件的损坏并影响排气系统的正常使用，因此十分有必 要对排气系统的结构和性能进行准确的评估分析以及性能预测。然而汽车排气 系统结构较复杂形状不规则，且零部件众多，包含有线性及非线性各种特性的 材料等，传统的设计和连续的的解析计算方法对于其难以发挥有效作用。在传 统设计中，最常用的是经验和实验方法。实验方法虽然较准确，可是周期长且 成本高。采用离散技术和数值模拟的方法对排气系统求解才比较有效。 自从2 0 世纪8 0 年代起，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善。 并且，模型的规模也从最初的少量，形状简单，种类单一的单元发展到现在的 成千上万，甚至更多的混合型且种类各异单元；分析对象也逐步深入，由原来 简单的静态变形和应力延伸到了动态结构响应，噪声和优化设计等领域。速度 快成本低的排气系统设计的目标，在当今数值计算理论不断完善，计算机的飞 越发展及c a e ( 且i jc o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 技术大面积普及的良好形势下， 得以实现。现阶段各大汽车企业及各大科研机构普遍基于大型商用有限元分析 软件，建立汽车各个零部件有限元模型，然后对其进行静态及动态的响应分析， 并完成汽车零部件的优化设计。 2 2 1 有限元分析软件简介 一般来说，c a e 分析工程师7 0 的时间都花费在了有限元模型的建立和修 改上，而余下真正的分析求解时间是消耗在计算机工作站上的。采用功能强大， 操作方便，且能够与众多c a d 软件和有限元求解器进行快捷方便的数据交换 的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要 的意义。本文采用了h y p e r m e s h 和a n s y s 这两个有限元分析软件来对排气系 武汉理工大学硕士学位论文 统进行分析，接下来对这两个软件的背景作一些简要的介绍。 h y p e r m e s h 软件属于a l t a i r 公司的h y p e r w o r k s 成套工程软件中和一个系列 软件。h y p e r m e s h 能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件都有良好的接v i 和兼容性，并具有高效的网格划分功能 3 0 1 ，是一 个高效的有限元前后处理器。h y p e r m e s h 是针对有限元主流求解器的高性能软 件，工程设计人员可以在良好的交互式及可视化的环境下，分析多种设计条件。 在c a e 分析软件领域，h y p e r m e s h 最著名的特点是它强大而灵活的有限元网 格前处理功能。因此本文采用h y p e r m e s h 软件来进行排气系统有限元分析的前 处理工作。 a n s y s 是一个十分丰富和完整的f e a 软件包。它集结构动静力学、电磁 学、热学、声学、流体力学为一体的大型通用有限元分析软件。与其他大型f e a 软件相比，a n s y s 最突出的特点是程序一用户界面更友好，图形交互能力更 完整。这样给工程设计人员的操作带来及大方便。另外，它包含丰富多样的单 元库和材料库，操作人员可以根据具体的分析对象的特性，来选择合理准确的 单元及材料类型。除此之外，为满足特殊情况，用户也可以对材料特性进行自 定义操作。a n s y s 能够高效而精确的求解如大型复杂结构的静力和动力，线 性和非线性分析，模态分析，谐波响应分析和断裂力学等 3 1 】。鉴于a n s y s 丰富的单元及材料类型，以及它高效而精确求解器，本文采用a n s y s 来对排 气系统进行求解及后处理工作。 2 2 2 有限元法基本思想 具体来说有限元分析的主要步骤是：建模，加载和求解及后处理。建模里 面的定义单元的类型及属性，根据现有的几何模型进行离散化，生成有限元网 格或是直接建立有限元网格。这些都属于前处理的工作内容。后处理，这一步 包括结果的显示及解释，查看云图，检查评定准则以及节点网格结果文件输出 及绘制图表等工作。有限元法的计算原理和数值计算方法集中表现在求解这一 步。接下来介绍，采用有限元方法来进行求解复杂模型的基本思想 3 2 1 。 最初要对所要求解的结构进行离散化处理。即把任意形状而且由各种不同 材料构成的求解区域进行离散。采用不重合，无缝隙而且按一定方式连接起来 但是数量有限的几何形状较简单的单元集合体，来替代原来连续介质。这些单 武汉理工大学硕士学位论文 元组合体内，一组单元是通过每个单元上的被指定的数量有限的节点连接起来 的，因此它包含自由度个数也是有限的。有限元法之所以能用于近似模拟非常 复杂的结构正是因为单元类型及形状都是多样的。 接下来，需要建立每个单元节点之间相互作用的力和位移的特性，因此在 这之前要给定一个形函数。这样就可以得出一系列的代数方程组，这些方程组 是以节点位移为未知量的，进而可求解出节点的位移分量，并得出整个系统的 动能及势能。然后，通过插值函数，每个单元内的刚度及质量矩阵，系统任意 一点的位移可以用节点位移来表示，从而可以得出每个单元的运动方程，然后 将每个单元的运动方程，组合装配成为整个系统的运动方程。通过这样的方式， 复杂的模型就用有限个节点位移表示出来，进一步可求出各节点的应力值。以 上这种，先分后合，然后以有限个单元来替代连接介质的方法便是有限元法的 基本思路。 2 3 模态分析理论 随着工程问题的越来越复杂以及有关学科理论研究的深入，结构设计中仅 考虑静态情况，已不能满足目前结构设计的要求。因为，任何系统包括机器