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汽车排气系统动态特性研究 摘要 汽车排气系统作为控制整车的振动与噪声问题的关键部件之一，其动态特 性受到越来越多的重视，这对提高整车的n v h 性能有重要的意义。本文运用 有限元分析与实验测试结合的方法，对某汽车排气系统的振动特性进行研究， 从而提出其结构修改意见，总结评价其动态特性。 本文中首先根据提供的汽车排气系统的三维模型，建立了合理的简化的汽 车排气系统有限元模型，对排气系统进行了悬置和边界约束模态分析，获取了 其2 0 0 h z 以下的各阶固有频率和振型。并对排气系统的主要子结构进行了自由 模态分析，得到其2 0 0 h z 以下的固有频率及振型。通过模态分析了解到排气系 统本身的振动属性，分析得到其产生强烈振动的原因，并对结构优化提出了改 进意见。 其次对该汽车排气系统进行了谐响应分析，对分析中的边界条件和载荷进 行了一定的研究，分析得到了排气系统各吊钩位置处的位移、加速度频响曲线。 通过频响曲线了解到不同频率下排气系统的响应，为研究排气系统的动态特性 提供了参考。 最后对该汽车排气系统进行了整车振动特性测试，通过对排气系统和车架 的吊钩位置处进行了振动测试，得到了不同发动机转速、不同工况下各测点位 置的振动特性。综合有限元分析结果与振动特性测试结果，总结评价排气系统 的动态特性。 关键词：汽车排气系统；动态特性；模态分析；谐响应分析；振动特性测试 s t u d yo i ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f v e h i c l ee x h a u s ts y s t e m a b s t r a c t v e h i c l ee x h a u s ts y s t e mi sak e yc o m p o n e n to fc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o na n d n o i s ep r o b l e mo fac a r ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a sb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt o ，w h i c hg r e a t l ya f f e c t t h en v hc h a r a c t e r i s t i co fac a r i nt h i sp a p e r ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n de x p e r i m e n tt e s ta r eu s e dt os t u d yo nt h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l ee x h a u s ts y s t e m t h e r e b yt h em o d i f i c a t i o n a d v i c et ot h es t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s t s y s t e ma r es u m m a r i z e da n de v a l u a t e d i n t h i sp a p e r ，f i r s t l ya c c o r d i n gt ot h ep r o v i d e d3 - dm o d e lo ft h ee x h a u s t s y s t e m ，t h es i m p l i f i e dr e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a s b u i l t t h e ns u s p e n s i o n a n dc o n s t r a i n tb o u n d a r ym o d a la n a l y s i sw a sp r o c e e d e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h ee x h a u s ts y s t e m t h ef r o n ts e v e r a lo r d e r sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e so f v i b r a t i o nu n d e r2 0 0 h zw e r eo b t a i n e d b e s i d e s ，f r e em o d a la n a l y s i so nt h em a i n s u b 。s t r u c t u r e so ft h ee x h a u s ts y s t e mw a sp r o c e e d e d ，t h e i rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d m o d e so fv i b r a t i o nu n d e r2 0 0 h zw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i so ft h e e x h a u s ts y s t e m ，t h ev i b r a t i o np r o p e r t yw a sg a i n e d ，t h er e a s o no fs e r i o u sv i b r a t i o n o ft h ee x h a u s ts y s t e mi nt h et e s tw a sk n o w n ，a n dt h em o d i f i c a t i o na d v i c eo ft h e s t r u c t u r ew a sp r e s e n t e d s e c o n d l yh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sw a sp r o c e e d e do nt h ee x h a u s ts y s t e m ，a n d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n dl o a dw a sp a r t l ys t u d i e do n t h ed i s p l a c e m e n ta n d a c c e l e r a t i o nf r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h eh o o k sp o s i t i o no ft h ee x h a u s ts y s t e mw a s o b t a i n e d t h r o u g ht h ef r e q u e n c yr e s p o n s e ，t h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h ee x h a u s t s y s t e mu n d e rd i f f e r e n tp o s i t i o n sa n df r e q u e n c i e sw a so b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e d r e f e r e n c et os t u d yo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s ts y s t e m f i n a l l y ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct e s to ft h ee x h a u s ts y s t e mw a sp r o c e e d e do nt h e c a r t h r o u g hv i b r a t i o nt e s to nt h eh o o k so ft h ee x h a u s ts y s t e ma n dt h ec a r f r a m e ， t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fe a c hs t a t i o nw a so b t a i n e du n d e rd i f f e r e n te n g i n e s p e e da n dw o r k i n gc o n d i t i o n c o m b i n e dw i t ht h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d v i b r a t i o nt e s tr e s u l t s ，t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h ee x h a u s ts y s t e mw a s s u m m a r i z e da n de v a l u a t e d k e yw o r d s ：v e h i c l ee x h a u s ts y s t e m ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；m o d a la n a l y s i s ； h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ；v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct e s t 致谢 时光飞逝，光阴荏苒，转眼间两年多的硕士研究生生活即将结束了，在这 段时间的学习、科研与生活中，需要感谢的人很多，在本论文的写作阶段，他 们对我给予很大的帮助，在此表示感谢。 首先要特别感谢我的硕士研究生导师一陆益民老师，本论文是在陆益民老 师的悉心指导下完成的，陆老师严谨的治学态度、沉稳的工作方式，以及渊博 的知识给我留下了难忘的印象，使我受益终身。在我读研期间，陆老师不但在 学习和科研中给予我很多的指导，在生活中也为我提供了很多的帮助和关怀。 在我毕业论文撰写期间，陆老师专门抽出时间悉心修改我的论文，并提供了很 多建议和帮助，在此向他表示衷心的感谢和敬意! 读研期间，噪声振动研究所的李志远教授、刘正士教授，魏浩征博士、王 勇教授、陈品老师、阮学云博士在每次的课题项目中给予了我很多指导和帮助， 我读研期间的成果与各位老师的帮助是分不开的，在此向各位老师和师兄表示 诚挚的谢意! 在我完成论文计算的过程中，得到了钱胜、崔鑫、孙嵩松、王飞、郑昱鑫、 闰科等同学和师弟们的大力支持和帮助，在此也要衷心感谢他们。另外还要感 谢合肥汇凌有限公司的杜工程师和徐寅工程师对我课题中在模型、数据和实验 测试中提供的帮助，在此向他们表示衷心的感谢! 最后，我要特别感谢关心和支持我的朋友和家人，在他们的理解和支持下， 我才能全身心地投入到研究工作中去，谢谢他们。 作者：鲍恩涛 2 0 12 年4 月 插图清单 图1 1 自由模态边界条件模型3 图1 2 悬置约束边界条件模型4 图1 3 悬置和边界约束模型4 图2 1 排气系统三维模型7 图2 2 三元催化剂装置三维模型7 图2 3 简化后的三元催化剂装置三维模型8 图2 4 前消声器三维模型8 图2 5 简化后的前消声器三维模型9 图2 6 后消声器三维模型9 图2 7 简化后的后消声器三维模型1 0 图2 8 简化后的连接管三维模型1 0 图2 9 ( a ) 普通法兰1 0 图2 9 ( b ) 球法兰1 0 图2 1 0 排气系统三位置处的吊钩1 1 图2 1 l 前消声器和三元催化部分的网格划分17 图2 1 2 连接管处的网格划分1 7 图2 13 后消声器部分的网格划分17 图3 1 排气系统一阶固有振型图2 4 图3 2 排气系统二阶固有振型图2 4 图3 3 排气系统三阶固有振型图一2 4 图3 4 排气系统四阶固有振型图2 4 图3 5 排气系统五阶固有振型图2 4 图3 6 排气系统六阶固有振型图2 4 图3 7 排气系统七阶固有振型图2 4 图3 8 排气系统八阶固有振型图。2 4 图3 9 前消声器主要阶次固有振型图2 6 图3 1 0 后消声器主要阶次固有振型2 7 图3 1 1 连接管的主要阶次固有振型2 7 图4 1 吊钩1 处y 、z 方向的位移频响曲线3 3 图4 2 吊钩1 处y 、z 方向的加速度频响曲线3 3 图4 3 吊钩2 处y 、z 方向的位移频响曲线3 4 图4 4 吊钩2 处y 、z 方向的加速度频响曲线3 4 图4 5 吊钩3 处y 、z 方向的位移频响曲线3 4 图4 6 吊钩3 处y 、z 方向的加速度频响曲线3 5 图4 7 吊钩4 处y 、z 方向的位移频响曲线3 5 图4 8 吊钩4 处y 、z 方向的加速度频响曲线3 6 图5 1 加速度传感器安装示意图3 7 图5 2 发动机转速测量表的安装3 8 图5 3v 1 点转速幅值图( 定置升速) 3 9 图5 4v 2 点转速幅值图( 定置升速) 3 9 图5 5v 3 点转速幅值图( 定置升速) 4 0 图5 6v 4 点转速幅值图( 定置升速) 4 0 图5 7v 5 点转速幅值图( 定置升速) 4 0 图5 8v 6 点转速幅值图( 定置升速) 4 0 图5 9v 7 点转速幅值图( 定置升速) 4 1 图5 1 0v 8 点转速幅值图( 定置升速) 4 1 图5 1 1v 1 点转速一幅值图( 三档加速) 4 1 图5 1 2v 2 点转速幅值图( 三档加速) 4 1 图5 1 3v 3 点转速幅值图( 三档加速) 4 2 图5 1 4v 4 点转速幅值图( 三档加速) 4 2 图5 1 5v 5 点转速一幅值图( 三档加速) 4 3 图5 1 6v 6 点转速幅值图( 三档加速) 4 3 图5 1 7v 7 点转速幅值图( 三档加速) 4 3 图5 1 8v 8 点转速一幅值图( 三档加速) 4 3 表格清单 表3 。1 简化的排气系统的材料属性2 2 表3 2 排气系统前8 阶固有频率及振型描述2 3 表3 3 各阶固有频率时对应的发动机转速2 5 表3 4 前消声器自由模态分析前四阶固有频率2 6 表3 5 后消声器自由模态分析前四阶固有频率一2 6 表3 6 连接管自由模态分析前四阶固有频率2 7 表5 1 测试所需的设备仪器3 7 表5 2 加速度传感器的通道连接3 8 第一章绪论 1 1引言 随着经济的快速发展，汽车已经走进了普通大众的日常生活，成为不可或 缺的交通工具之一，为人们的生活带来了极大的便利。同时人们对汽车的性能 和舒适性的要求也越来越高，其中对汽车的n v h ( n o i s e & v i b r a t i o n & h a r s h n e s s ) 性能的要求也越来高，用户都希望用上噪声更小、振动更小、更舒适的汽车。 而汽车发动机作为车辆的心脏，在为车辆提供动力的同时，也将振动通过排气 系统、车架等传递到驾驶室内，影响了用户的舒适性。 而汽车排气系统作为车辆中重要的一部分，一方面将发动机运转过程中产 生的废气经过处理后排出，同时把发动机转转时产生的强烈噪声显著降低。但 是由于受到发动机和其他的激励激励作用，使用中会产生较大的振动，影响其 本身和整车的振动性能。因此其振动相关的动态特性不得不受到更大的重视， 通过研究排气系统的动态特性以提高排气系统的工作性能，延长其使用寿命。 1 2 研究背景及意义 汽车排气系统是一个通道系统，一方面将发动机运转过程中产生的废气 经过处理排出，同时由于消声器的作用将发动机运转产生的噪声大大降低，因 此它的结构不仅是简单的管道系统，更重要是运用到声学、振动学、流场、热 学、结构力学等多项学科综合的一个产品。车辆运行时排气系统承受了来自发 动机的周期性动载荷，引起排气系统振动，影响排气系统子结构及吊挂件的疲 劳寿命及可靠性；同时周期性振动通过排气系统橡胶吊挂传递到车体，影响车 身结构的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【l j 。 随着有限元理论和计算机技术的不断发展，c a e 分析技术已经在各个行业 得到了普遍的应用，成为工程设计人员一门必备的专业技能。有限元法的出现， 带动了汽车产品的设计，使得传统的结构分析内容向着分析、设计、优化、制 造、试验和控制的综合化方向发展。在汽车排气系统的设计过程中，有限元方 法也不断得到更深入更广泛的应用，国外对消声器的研究侧重于声场和流场以 及消声机理的研究，并且重点讨论了消声器内部声场和流场的分布对消声器性 能的影响【26 1 。但是在动力学特性方面的研究却明显不足，而排气系统作为连 接发动机振源的一个重要部分，其动态特性的有限元方法研究是非常重要的研 究手段。排气的动力学特性主要是研究其振动特性，包括模态分析、谐响应分 析、随机振动分析等。 研究排气系统的动态特性，对其使用性能和寿命的保证有着很重要的意 义。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测，而且可作为结构动力特性优 化设计的依据【3 1 。通过谐响应分析，可以计算出排气系统在各个频率下的响应， 得到响应随频率变化的曲线，能够预测结构的持续动力特性，从而验证设计能 否成功地克服共振、疲劳，以及其他受迫振动引起的不良影响。随机振动分析 中，会将排气系统运行的中一些随机激励对排气系统的影响进行描述，从而为 为排气系统的改进提供科学的依据。通过动态特性的有限元仿真研究，对于排 气系统的使用性能和使用寿命有一个较为科学的预测，为结构的改进提供科学 的依据，提高其性能并延长其寿命，从而提高整车的n v h 性能。 1 3国内外研究现状 1 3 1国内研究现状 对于汽车排气系统的动态特性的研究，国内基本上从二十一世纪初开始研 究。近年来随着计算机技术的发展及仿真技术的进步，对于排气系统的动态特 性研究的有了进一步深入。 上海交通大学李松波1 1 , 2 , 3 】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，建立了排气系统的一维梁单元模型，并用实验模态进行了验证， 对排气组件的敏感度进行了相关的探讨，对排气系统的主要振动源下的排气系 统的动力传递特性进行了研究，分别对发动机激励以及路面激励的振动传递特 性进行了相应的分析。这种方法建立的模型为汽车排气系统的动力学分析提供 了指导性的作用。 刘静平，邓邦林等人【4 】通过对汽车排气系统的自由模态分析，初步判断吊 耳点布置是否合理，利用c a e 分析对排气系统进行的自由度进行了缩减， 提 取其质量矩阵、刚度矩阵、主节点自由度信息及模态信息，导入发动机一排气 系统的动力学模型，充分考虑到其弹性变形与模态共振对振动响应的影响，对 排气系统进行了受迫振动分析。 王继先等人 5 】对内燃机排气系统振动特性进行了分析，针对某车的排气系 统存在的怠速工况下排气尾管振动强烈的现象，将实验模态和模态分析仿真结 合，建立排气系统的有限元模型，基于软件和试验设备进行模态分析和谐响应 分析，得到其若干阶固有频率及其振型，通过有限元分析得出排气系统强烈振 动的原因，并采用优化悬挂点的方法对排气系统的结构进行了改进。 邢素芳，王观荣等人【6 】运用有限元分析及实验结合的方法研究发动机排气 系统裂开位置的问题，讨论了有限元法求解排气系统各阶固有模态参数的方法 和步骤。 杨万里等人【7 j 较为详细地探讨了如何合理简化排气系统中各部件，并对某 车的排气系统进行了实验模态分析。对比不同的简化方法对计算结果的影响得 出：对于催化器和消声器的完全网格模型的模态仿真计算结果与实验测定值有 较大的误差，而采用简化的模型所计算的结果则与实验值较吻合。 侯献军等人【8 】通过建立排气系统的有限元模型，对其进行了静力分析和模 态分析，计算结果表明排气系统最大位移和最大应力以及各橡胶吊耳处的最大 受力满足静力载荷下的设计要求，怠速和经济转速下的排气系统具有良好的动 态特性。 国内也有一些学者在从事排气系统的悬挂位置和疲劳耐久性的相关研究， 这些为优化排气系统的动态特性提供了宝贵的依据。 沈渡 9 】【1 0 】在基于模态置信度检验后的汽车排气系统模型上，建立其有限元 模型，对其进行了应力分析，将应力分析结果导入m s c f a t i g u e 软件中，进行 了疲劳寿命分析。侯献军、郑灏等人】建立了某汽车排气系统中消声器的应 力分析模型，并综合运用多种软件对该排气系统的不同的设计方案进行了其局 部疲劳耐久性试验仿真分析。 田静 1 2 1 在对排气系统进行自由模态分析的基础上，提出了新的悬挂点设 计方法，提出了吊钩和吊耳隔振性能的评价方法。上官文斌【l3 1 、田育耕1 1 4 1 研 究了橡胶吊耳的静、动态刚度，对优化排气系统的结构、研究排气系统的动态 特性起到了指导性的作用。 1 3 2国外研究现状 j p a n g 等人【1 5 】介绍了排气系统噪声、振动、疲劳和排放设计的基本规范， 对排气系统的模态分析、动力学分析、振动传递函数和敏感度分析设计要点进 行了总结，对排气尾管的长度对噪声的影响进行了探讨，定义了排气系统和车 辆之间的不同的接口的传递函数，但没有给出具体的形式。 l i n g ，s f 等人【1 6 】简化了排气系统的模型，将排气系统模拟为梁单元，橡 胶吊挂件模拟为弹簧单元，并对排气系统进行了模态分析，基于模态分析结果 对橡胶吊挂的刚度进行了优化设计。 k e n d r ae a d s 等人 1 7 1 介绍了排气系统的振动分析及优化的基本原理和方 法，建立了排气系统悬挂点的力学模型，并设计了悬挂和排气系统详细的优化 步骤。 h e i n e rs t o r c k 等人【1 8 】较为详细地介绍了排气系统试验模态分析，定义了试 验模态分析三种类型的边界条件：( 1 ) 自由模态；( 2 ) 悬置约束模态；( 3 ) 悬置和 边界约束模态，三种边界条件的模态模型如图1 1 至1 3 所示，同时对实验 模态的坐标系选择也进行讨论。 菇一霹。；翳厂赢辫w 图1 1 自由模态边界条件模型 蠢，k豪 辽三蚤，一澎产显 图1 2 悬置约束边界条件模型 图1 3 悬置和边界约束模型 x i t i a nf a n g 等人【1 9 】运用n a s t r a n 的非线性单元，建立了排气系统的非 线性有限元模型，排气管采用壳单元，悬置和波纹管采用梁单元，焊接部分采 用刚体处理，所得到的模态分析仿真结果和实验结果基本一致。 j i a np a n g 等人【2 0 】研究了波纹管对排气系统振动特性的影响，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有限元模型，建立了以有 限元理论为基础的排气系统振动方程，并以排气系统振动特性为目标函数，以 波纹管的各方向的刚度为设计变量，对波纹管进行研究分析。 a l ig g o k t a n 等人【2 l 】建立了包含排气系统的半车模型，研究了路面谱的振 动传递特性。c h e n gc a o 等人【2 2 】提出了一种对排气系统进行振动测试的新方 法，在吊挂的上端和下端分别安装了加速度传感器，根据两端的测试数据获得 了吊挂的负载，并对排气系统的橡胶吊耳进行了振动分析和评价。 c h u l h oy a n g 等人【2 3 】对于在消声器设计中壳体噪声与振动问题的预测及解 决措施作了一定的研究，对比理论计算与有限元分析以及实验测试结果的差 异，结果表明有限元分析与实验测试结果差异较小，具有可行性。并运用 m a t l a b 开发了消声器壳体振动和传递损失的预测软件程序。 h y o s i gk i m 等人【2 4 】提出了关于汽车怠速振动下的排气系统稳建设计流 程。文中引入了一种对提高怠速振动质量下排气系统稳建性设计的方案。并根 据实验，将频响函数子结构综合理论引入到所设计的模型中，得到了更有效的 计算模型。 s a n i a ys p a t i l 和v v k a t k a r 【25 j 提出了一种关于排气系统动力分析的新方 法。文中阐述了动载荷选择、试验数据处理和因温度变动引起的材料属性的变 化等方面对排气系统影响。并通过c a e 动响应分析，确定了这些方面对排气 系统的影响。基于分析结果可以预测排气系统的性能和寿命，并提出结构修改 * 皋弘。一 铲 瓣i 鬃囊 一溪 k c 、毒一 & _毫罐。 警诋 意见。 1 4 本文的主要研究内容 本课题是基于校企合作项目而展开的分析研究，采用有限元方法对某汽车 排气系统进行动力学相关分析，并对其进行振动特性测试，从而对其动态特性 进行分析评价，在此过程对以下内容进行较为深入的研究： ( 1 ) 对汽车排气系统进行建模，得到简化的、合理的有限元模型，为模 态分析和谐响应分析做准备； ( 2 ) 基于有限元模型，对汽车排气系统进行约束模态分析，并对其主要 子结构进行自由模态分析，对比分析结果，对排气系统的结构进行评价和改进； ( 3 ) 基于有限元模型对排气系统进行谐响应分析，得到排气系统在不同 的频率下某些位置处的位移、加速度参数的频响曲线； ( 4 ) 现场对该排气系统的振动特性进行测试，得到排气系统与车架吊钩 处各测点的振动特性，分析随着发动机转速的升高，各测点处的振动特性的变 化，总结并评价排气系统的动态特性。 第二章汽车排气系统有限元模型的建立 2 1 汽车排气系统的组成 汽车排气系统是一个通道系统，一方面将发动机运转过程中产生的废气经 过处理排出，同时由于消声器的作用将发动机运转产生的噪声大大降低，因此 它的结构不仅是简单的管道系统，更重要是运用到声学、振动学、流场、热学、 结构力学等多项学科综合的一个产品。 排气系统的管道多为铸铁材料，也有表面表面镀锌或镀铝的钢材，在高档 车型中排气系统也有不锈钢材料。其结构通常由以下部分组成：三元催化器、 柔性连接、消声器、连接管、吊钩、法兰和尾管组成。 三元催化器是发动机运转时产生的废气的处理装置，其结构类似于消声 器，外部为双层不锈钢薄板压制的筒体，在双层薄板之间夹有绝热材料石 棉纤维毡，内部网状隔板间装有催化剂。发动机运转时产生的毒害气体在通过 催化剂装置时，发生氧化还原化学反应，使得毒害气体转换为无害气体，大大 降低了污染气体排放。 柔性连接是连接发动机与排气系统的隔振、缓振器，使发动机运转产生的 强烈振动传递到排气系统时的能量大大降低，从而显著减小排气系统的振动。 其结构一般为两个连接法兰之间用弹簧和柔性垫圈相连。很多排气系统也用波 纹管做柔性连接部分。 消声器是排气系统中关键部件之一，它能够将发动机运转时产生的巨大噪 声显著降低。按照消声器的消声机理，将其分为阻性、抗性、阻抗复合式三种。 阻性消声器是在消声器管道内布置吸声材料，部分吸收管道中的声能，这种消 声器对高频噪声有很好的消声效果。抗性消声器是指利用不同形状、尺寸、位 置的管道、穿孔板、穿孔管和共振腔的适当组合，使声波在管道和共振腔内发 生反射或干涉，在传播中阻抗失配，从而降低噪声输出的声能。其消声效果随 着频率的变化而不同，其消声频率较窄，在中低频时效果较好，高频较差。阻 抗复合式消声器同时集阻性和抗性消声器的特点，是将声吸收和声反射恰当地 组合起来的消声器。它同时既有阻性消声器消除中、高频噪声和抗性消声器消 除低、中频噪声的特性，具有宽频带的消声效果，大部分汽车的消声器多为阻 抗复合式。并且一般排气系统中消声器的个数都不止一个，一般有主消声器和 副消声器，结构表现为一个大一个小，一般为一个阻抗复合、个抗性。 吊钩是橡胶吊耳的载体，吊钩通过橡胶吊耳与车架相连接，吊钩的位置分 布直接关系到排气系统传递到车架上的振动，因此吊钩的位置布置应该充分考 虑到排气系统的本身的振动特性1 2 。 排气系统看似只是一些简单的管道组成，但是在实际设计过程中不仅要考 虑到特定的底盘布置，同时排气系统的长度、管径大小、三元催化器的个数、 消声器的大小、吊钩的分布位置等都要考虑在列。还要考虑到排出气体的流场 特性，防止背压过大，增加功率损失。因此排气系统的结构设计很重要的环节。 2 2 排气系统几何模型的建立 本文中研究的排气系统由三元催化器、柔性连接、消声器、连接管、吊钩、 法兰和尾管组成。其基本结构如图2 1 所示。 发 揍 图2 1 排气系统三维模型 该排气系统中坐标系的选择为，车辆前后方向为x 方向，左右为y 方向， 上下为z 方向。该排气系统主要有三段部分：前消声器、后消声器、连接管， 三部分通过连接法兰连接成一个完整的排气系统。对于其中各部分的建模，是 在三维c a d 软件c a t i a 中进行操作的。以下具体对各部分的三维模型的建立 进行说明。 ( 1 ) 三元催化装置的三维建模 三元催化剂装置是排气系统中的重要部件，它能够将发动机运转时产生的 毒害气体转化为污染较小、毒害较少的气体。建立的三维模型如图2 2 所示。 图2 2 三元催化剂装置三维模型 但是在有限元分析中为了缩减仿真运算的步骤和时间，需要对模型进行几 何清理，在不影响其主体结构的前提下，将模型中的一些圆角、倒角、圆孔等 结构处理掉【2 6 1 。简化后的模型如图2 3 所示。 图2 3 简化后的三元催化剂装置三维模型 ( 2 ) 前消声器的三维建模 消声器是排气系统中关键的部件之一。由于消声器的作用，发动机运转时 产生的剧烈的噪声得以大大的降低。抗性消声器正是由于其结构的特殊性，其 消声性能才会有明显的效果。该排气系统的前消声器是一个抗性消声器，通过 不同形状、尺寸、位置的管道、穿孔板、穿孔管和共振腔的适当组合，使得消 声性能达到理想的效果。其外部是封闭的筒体，内部是两根穿孔管、一根通管， 通过与两块隔板固定。其结构如图2 4 所示。 图2 4 前消声器三维模型 其中穿孔管的结构对消声性能的影响十分显著。由于本文中主要是研究排 气系统动力学性能，对其声学性能不做考虑，而穿孔管结构对于排气系统的动 力学性能的影响较小。在质量保持不变的前提下，将穿孔管上的小孔去除，将 管壁厚1 5 m m 改为1 2 m m ，另外将消声器表面的一些倒角、圆角部分清理。 简化后的前消声器模型如图2 5 所示。 图2 5 简化后的前消声器三维模型 ( 3 ) 后消声器的三维建模 后消声器和前消声器的组合，共同构成了该排气系统的消声系统，而后消 声器作为该排气系统的辅助消声器，它是一个阻抗复合式的消声器。外部是一 个封闭的筒体，简体内壁贴有一层玻璃棉，筒体内部也有一根穿孔管，其穿孔 率低于前消声器的穿孔管。其三维模型如图2 6 所示。 k 姚i 琶| ! 豳鎏慧汐飘 雳 图2 6 后消声器三维模型 对于后消声器，在进行动力学分析时也需要对模型进行几何清理，将穿孔 管上的小孔去除，改为通管，而将其管壁厚由1 5 m m 改为1 3 m m ，以保持质 量基本不变。简化后的后消声器模型如图2 7 所示。 图2 7 简化后的后消声器三维模型 ( 4 ) 连接管的三维建模 连接管道是将排气系统中各个部件连接的一套空管系统，设计过程中需要 考虑到他们的空间布置，以及管径大小等，以保持良好的气体流场特性，防止 背压过大，增加功率损失。该排气系统的连接管道有若干节组成，其中连接前 消声器和后消声器之间的一节连接管道的模型如图2 8 所示。 一 鼍夕 龟蠢蔑逸一。一i 毒岛 毋 图2 8 简化后的连接管三维模型 ( 5 ) 法兰、吊钩的建模 两连接管之间是用法兰来接合的，在该排气系统中，连接法兰有两种形式， 一种是普通的法兰，还有一种是柔性连接球法兰，简化后的三维模型如图 2 9 ( a ) 、( b ) 所示。 图2 9 ( a ) 普通法兰图2 。9 ( b ) 球法兰 1 0 吊钩焊接在排气系统上，通过橡胶吊耳连接到车架上。在该排气系统中， 分别在前消声器、连接管、后消声器上焊接有吊钩，其中在前消声器上有两个， 后消声器上和连接管上各有一个。简化后的三维模型如图2 1 0 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所 示。 夕 ( a ) 前消声器处吊钩( b ) 连接管处吊钩( c ) 后消声器处吊钩一 图2 1 0 排气系统三位置处的吊钩 2 3 有限元分析基本原理 有限元法( f e m - - f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 诞生于2 0 世纪6 0 年代，是以力 学理论为基础，力学、数学和计算机科学相结合的产物，随着计算方法和计算 机技术的快速发展而形成的一种数值计算方法。经过半个多世纪的发展，其理 论体系已趋于成熟，在解决工程实际问题中得到了广泛的应用。有限元法是将 连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，即 用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元的 分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边 界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型 单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷， 这样就组成了有限单元集合体。目前，最广泛应用的有限元法实际上是有限元 位移法，是取节点位移作为基本未知量，把原来具有无限多自由度的连续弹性 体简化为有限个自由度的离散结构，从而避免解微分方程的麻烦【2 7 1 。 2 3 1 有限元法基本思想 从数学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分 方程变换成代数方程求解；从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段， 将连续体划分成有限个小单元体，并使它们在有限个节点上相互连接 2 8 1 。 有限元法的基本思路是将问题的求解域分为一系列单元，利用节点将单元 之间连接。由单元节点量通过选定的函数差值关系求得单元内部点的待求量。 由于单元形状简单，利用平衡关系或能量关系可以方便地建立起节点量之间的 方程式，然后将各个单元方程集合在一起形成总体代数方程组，加入边界条件 后即可对方程组求解。单元划分得越细，计算结果越精确，计算量也随之越大， 因此通常在合适的范围即可。 2 3 2 有限元的基本理论 线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础【2 9 , 3 0 】。 ( 1 ) 基本假定 把满足下述三条基本假定的固体力学问题简称为线弹性问题。 1 1 连续介质假定：假设弹性体所占据的空间区域内充满了连续分布的物质 点，没有空隙处； 2 ) 小位移、小变形假定：假设弹性体任一点处的位移和应变都很小，以致 应变与位移之间的关系是线性的，并且在建立平衡方程时可不考虑弹性体几何 形状的变化，即可对变形前的结构建立平衡方程； 3 ) 线性弹性假定：假定弹性体的应力一应变关系服从广义胡克定律。 ( 2 ) 结构离散化 结构离散化是将复杂的由无限个质点组成的具有无限个自由度的连续弹 性体简化为有限个单元组成的集合体，在有限个节点上将这些单元铰接成集合 体。所以，这个集合体具有有限个自由度，这样则为计算提供了条件。结构离 散化的数学意义在于将微分方程经过连接转化为代数方程组，以便对方程组进 行求解。 结构离散化时需要遵循两条基本原则： 1 ) 几何近似：即结构的物理模型与真实结构在几何形状方面近似； 2 ) 物理近似：即离散的单元特性的物理性质与真实结构在相应区域内的物 理性质相似，如受力、变形、材料属性等情况。 ( 3 ) 单元位移模式 在对单位进行分析之前，都需要先确定其位移模式，然后逐步推导出单元 刚度矩阵。把单元中任意一点的位移可以用该点坐标的某种函数近似地表示出 来，该点位移的表达式则称为单元的位移函数或位移模式，即： f ) = 【】 6 。) ( 2 1 ) 式中： 厂 一单元内任意一点的位移列向量； 卜一形状函数矩阵； 6 ， 一单元的节点位移列向量。 ( 4 ) 单元应变与单元应力 根据弹性体小位移、小应变的假定，用节点位移表示的单元应变可以由其 几何方程导出，即： p ) = b 】 6 。) ( 2 - 2 ) 式中【刎为几何矩阵。 根据线性弹性假定，用节点位移表示的单元应力可以由其物理方程导出， 即： 扣) = 【d 】 别 6 。) ( 2 3 ) 式中 d 】为弹性矩阵。 ( 5 ) 单元刚度矩阵 根据虚功原理可知，单元内部应力在虚应变上所作的虚功应该等于节点力 在节点的虚位移上所做的虚功。单元节点载荷和单元节点位移之间的关系式可 以由虚功方程得出，称为单元的刚度方程，即： ) = k ) 6 。 ( 2 - 4 ) 从而可以导出单元的刚度矩阵，即： k 】一f b 】r d l b d v ( 2 5 ) 单元刚度矩阵具有下列性质： 对称矩阵；主对角线元素是恒正值；奇异矩阵；仅与几何矩 阵 b 】和弹性矩阵 d 】有关。 ( 6 ) 等效节点效应 用有限元求解问题时，节点上承载了单元上所受的各种荷载。荷载类型包 括体积力、面力和集中力，在进行结构分析时，总体平衡方程式是将这些力移 置到节点上，成为节点荷载而建立起来的。对于给定的位移函数，可以确定唯 一的移置的结果。 ( 7 ) 总体刚度矩阵 整个结构的平衡方程是集合所有单元刚度方程而建立起来的，从而可以得 总体刚度矩阵，即： 【k 】 6 ) = p ) ( 2 - 6 ) 式中：【k 卜一全结构的总体刚度矩阵； 6 ) 一全结构的节点位移列向量； 尸 一全结构的等效节点载荷列向量。 总体刚度矩阵具有下列性质： 对称性；稀疏性；带状性；是奇异矩阵；与结构的几何尺 寸和材料的物理性质有关。 ( 8 ) 对称性分析与边界条件 1 ) 对称性分析 当结构具有对称性时，即结构的几何形状、支承条件和材料性质都相对于 某轴对称，当结构绕对称轴对折时，左右两部分完全重合，这种结构称为对称 结构。结构的对称是对称性利用的前提，可以利用这个特性来减少计算工作量。 2 ) 边界条件 在求得总体刚度矩阵和总体结构节点荷载列阵后，还不能立即对方程组求 解，因为在建立总体刚度矩阵时，将结构默认为是一个自由体，不受外界约束， 而结构具有刚体位移，因此这样的刚度方程所求得的解是非正解。要使刚度方 程求得的是惟一解，必须消除结构的刚体位移，即引人几何边界条件以限制刚 体位移。 2 3 3 有限元分析流程 有限元法的基本研究思路是结构离散一单元分析一整体求解。有限元软件 进行分析的过程则相应划分为前处理一中处理一后处理三个阶段。前处理阶段 的主要工作是建立有限元模型，完成单元网格划分；中处理则是构建刚度矩阵 与分析计算的过程；后处理则是对分析与计算的结果进行处理，对所分析的结 构做出评价。 有限元基本分析过程可以归纳为以下几步： ( 1 ) 将结构体连续分割成有限个的小区域，即为有限单元，通过节点相连 将各个单元连接起来。 ( 2 ) 选择节点的物理量( 如位移、速度、加速度、温度等) 作为未知量， 假设一个简单的连续位移函数来对每一单元进行近似模拟其位移分布规律，从 而用节点物理量来表述单元内任一点的物理量。 ( 3 ) 利用有限单元法的不同解法，根据虚功原理建立每个单元的平衡方程， 即建立各单元节点力和节点位移之间的关系，形成单元性质的矩阵方程。 ( 4 ) 将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组， 形成整体刚度矩阵。 ( 5 ) 引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知量。其他参数也可 以通过同样的方式依次求出。 2 3 4有限元分析中需要注意的问题 在进行有限元分析时，应该注意以下几个重要问题： ( 1 ) 精确建模 精确建模是指力学模型要能够从实际问题中提