发动机排气系统毕业论文.doc

发动机排气系统毕业论文第一章 绪论1.1、研究的目的和意义随着社会的发展和技术的进步，人们对现代汽车的要求越来越高。为了降低发动机排放对环境和乘员造成的不良影响，排气系统作为一个重要的组成部分被引入汽车中来。它的主要作用是将发动机工作时产生的废气经过处理排出并且降低排气噪声。它的质量优劣直接关系到汽车的动力性、舒适性和排放标准，对发动机的效率和使用寿命也会产生影响。同时汽车排气系统作为汽车乘坐舒适性的主要影响因素之一，其振动问题在学术界得到了广泛的重视。汽车排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身地板相连。由于受到发动机本身振动和排气激励的影响，排气管振动相对较大。汽车排气系统主要由排气管、氧传感器、三元催化装置、波纹管、副消声器、主消声器、尾管以及排气系统悬挂装置等组成。其中氧传感器为车辆ECU提供废气中氧气含量的数据，ECU以此来调节发动机进气量来实现燃料的完全燃烧；三元催化装置可以有效的为发动机排出的废气提供净化，去除其中的有毒有害成分（如CO，CyHx以及NyOx等）；主、副消声器可以有效的降低车辆运行时发动机排气所发出的噪音；波纹管以及排气系统悬挂装置则是用来减少排气系统的振动，从而提高系统的可靠性及寿命。所以，对排气系统的研究是十分有意义而且有必要的，尤其是降噪和隔振的研究，对于车辆的运行可靠性及舒适性都有着现实的意义。汽车排气系统首先是一个复杂的声学系统。发动机运行及排放废气时产生噪音往往会覆盖从 200Hz 到 2000Hz 的巨大频率范围，故对排气系统的降噪功能提出了极高的要求。因此，通常会使用主、副两个带有多个扩张腔和共振腔的消声器的形式来降低噪音。在某些极端情况或者对噪音要求非常苛刻的车辆环境下，也可能使用更多消声器来完成此降噪任务。其次，汽车排气系统又是一个非常复杂且多自由度的振动系统，其振动的输入源不仅包括了车辆在行驶过冲中发动机产生的振动，还包括汇集了路面通过悬架输入的激励以及传动系统冲击及扭振激励等的车架向排气系统输入的振动。当车辆处于各种特殊工况下，例如起步、制动或者路面遇到冲击时，发动机及车架会向排气系统传递更多的冲击，从而产生很大的动载荷，而车辆在长期处于这些工况交替的情况下排气系统很容易产生结构破坏。所以汽车排气系统一般会采用一套悬挂系统来降低系统所受到的冲击。另外，汽车排气系统一般还会在三元催化附近加装一段波纹管以达到隔离发动机周期性激励的效果。综上所述，汽车排气系统减振和降噪的研究对于整车系统的舒适性、环保性、耐久性、可靠性以及降低零部件因共振因素导致零部件断裂的风险。都有着十分重要的意义。随着振动理论及其相关学科的发展，人们早已改变了仅仅靠静强度理论进行结构设计的观念。许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运动状态的。这种运动或其主要成分往往是振动。如旋转机械的振动，空间飞行器的颤振，车辆、船舶等交通运输工具的振动，机床的振动，武器在发射状态下的振动等等。这些机械的设计、评估自然必须考虑动态特性，动态载荷往往是设计的主要考虑因素。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。为振动工程理论的一个重要分支、模态分析及实验为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设汁方法更使模态分析成为结构设计的重要基础。特别是计算机技术和各种计算方法（如 FEM）的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。我的工作课题是对G820车型1.8L发动机排气系统主要零部件进行模态分析。通过abaqus等有限元分析软件，建立排气系统冷端的自由模态和约束模态的有限元分析模型，获得主要零部件在自由状态下和约束状态下的固有频率和振型。基于分析结果进行结构改进和优化，降低零部件因共振因素导致零部件断裂的风险。1.2、国内外研究现状现今国内外有许多学者对发动机排气系统有过研究。王岩松1等，应用有限元软件HYPERMESH 和MSC.NASTRAN对某汽车的排气系统进行了自由模态分析，建模时不考虑排气系统的吊挂件和支撑以及排气歧管约束对排气系统振动的影响。根据三维CAD模型和质量分布情况进行模拟计算，得到系统固有频率及振型等相关信息；平均驱动自由度位移法可以用来在整车开发前期对汽车排气系统吊耳悬挂点位置的布置当中，根据ADDOFD 法曲线，选择ADDOFD 值较小的点作为吊耳的悬挂点，根据ADDOFD 法绘制的曲线确定排气系统吊耳悬挂点的位置。杨万里2等，建立了排气系统模态分析模型，排气系统模型一般由5部分组成:三元催化器、波纹管、前消声器、后消声器和各部件之间的连接管道。其中，他们根据设计部门提供的波纹管CAD模型、三元催化转化器及前后消声器的外壳进行了网格划分。杨万里等对排气系统模态分析数值模型进行了分析,叙述了排气系统完全网格模型和简化模型的建立过程,并比较了两种模型的模态分析结果. 研究表明,鉴于排气系统模型的复杂性,完全网格模型不能表达波纹管、三元催化器、前后消声器和橡胶吊挂。因此,计算结果同实际情况有较大的误差。 简化模型能从宏观上表达上述元件。因此,计算结果更加精确。方勇3等，通过CATIA软件建立排气系统三维几何模型，利用专门的有限元前、后处理软件对其进行离散化处理,以获得有限元模型，并对排气系统的部件采用四边形板壳单元进行网格划分, 含少量三角形网格以满足高质量网格的过渡需要;焊点采用spotweld 单元模拟。该模型的边界条件无任何约束。排气系统进行了有限元模态分析,获得了系统的模态参数。为改进结构设计提供了理论依据、为进一步建立系统的振动方程,预估系统在外界激励作用下的响应,深入研究其振动、疲劳和噪声等问题奠定了初步的基础;同时也为开展实际模态试验提供了参考。邢素芳4等，针对某轻型货车排气系统在使用过程中发生开裂现象建立了三维几何模型，并采用MSC/NASTRAN有限元程序进行了模拟计算，得出该排气系统的平面单元模型：在消声悬挂位置附近安排的单元密度较大；另外，消声器的轴线位置与相邻的排气管轴线之间有一偏移量，两者之间通过刚性单元进行连接。此模型包括3409个节点和2534个四边形单元。结果表明：发动机的转动频率与该排气系统的固有频率发生耦合，引起了共振。通过改进发动机与排气系统的连接方式等措施改变了排气管的固有频率，降低了振动。经样车试验得到满意的结果。Chang-Myung Leed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做过研究的文章5。其主要目的是为了验证将排气系统中排气管简化成BAR单元后，有限元方法（FEM）能否有效的模拟排气系统真实的振动模态振型与频率，并且通过验证可靠的模型来对整个排气系统的各部件的刚度、阻尼以及质量分布等进行调解来提高系统的可靠性。Ganesh Iyer6等比较了在EMA和OMA两种技术下的差异来研究发动机排气系统的固有频率和阻尼比。系统的模态参数高度依赖环境条件如温度、装配方式、材料和废气流。Ganesh Iyer等试图弄明白这些环境条件对实测模态参数的影响。进一步进行分析实验,使用CAE模拟来观察温度对排气系统模式的影响。他们的工作让我们理解了OMA的模态优化的重要性,特别是车辆的运行工况很少包含理想的输入条件，比如适用于EMA的噪声输入。详细讨论包括使用OMA和EMA的汽车排气系统的动态特性的评价。汽车排气系统的动态特性受到多个解耦元素，例如温度梯度和气体流动的影响。他们试图找出两种模态分析方法在动态特性方面的相关性,并使用MAC形状向量的相关性比较相关的各种试验条件描述测试条件。这项研究还包括研究温度效应作用在排气系统时对测量模态参数的影响。卞信涛7利用Altair/HyperMesh软件创建某排气系统有限元模型，运用MSC/Nastran 软件计算排气系统的约束模态，对约束模态分析的结果进行评价。最后结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点。通过对排气系统的有限元分析过程和分析结果的总结，他发现对于包含动力总成的排气系统模态和频率响应分析，模型的输入条件必须准确，其中，球连接、悬置和吊耳的建模必须确保橡胶单元各方向刚度的准确性，尤其是球连接，必须正确仿真其实际的工作状态，否则将对结果产生很大的影响。他的研究为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据邓帮林8等联合MSC-Nastran 与AVL-Excite 软件，对某轿车排气系统进行模态与强迫振动分析。首先利用MSC-Nastran 对排气系统做自由模态分析，初步分析其吊挂点布置合理与否。然后利用MSC-Nastran 对排气系统进行自由度缩减，提取其质量矩阵、刚度矩阵、主节点自由度信息及模态信息，整合到内燃机-排气系统多体动力学模型中，对排气系统进行受迫振动分析，充分考虑其弹性变形与模态共振对振动响应的影响。得出排气系统任一点上的振动响应及排气管路长度上的振动传递率，考察其振动耦合特性；为排气系统的空间走向和结构设计提供强有力的依据。徐献阳9针对排气系统复杂振动的特点，结合排气系统的结构设计，以该系统工作过程的振动为研究对象，采用有限元软件 ANSYS 中的Lanczos 法分别对车辆排气系统在自由状态和约束状态两种边界约束条件下的振动情况进行模态分析，得到了系统在各阶模态下的主要固有频率和振型。然后，通过实验模态分析获得了车辆排气系统在这些状态下的振动固有频率及振型，并对数值计算和实验模态分析结果获取的排气系统固有频率和振型（采用 MAC 评价）进行了对比。数值和实验模态分析的比较结果显示，数值模型能够很好的描述实际排气系统，但是由于模型的简化该方法仍然存在一定的偏差。最后，使用优化方法描述了排气系统结构模态优化的过程，并对排气系统关键组件参数进行了灵敏度分析，减低了排气系统设计难度，并为优化设计奠定了基础。吴永桥10等采用有限元法,在三维流场分析的基础上,把排气压力传递到排气管管壁上,分析排气压力作用的结果。这种间接耦合,由于非线性程度不高,因而只进行单向耦合分析,而不考虑多次耦合的作用。通过模态分析,能有效地了解排气管的振动情况,从而在适当的部位加以约束,减小其振动。其计算分析表明,排气压力的耦合作用不强,温度是影响位移和应力的主要因素之一。发动机工作时,排气总管在XY 面内的振动最剧烈,在此平面内加约束,可有效控制振动。Nis Mller11等也发表了论文，对如何在排气系统处于约束状态的时候采集系统模态参数提出了具体的实验方法。包括如何设置采集点、如何布置加速度传感器的位置与方向以及如何在系统上设置激励点的方法。并且同时验证了有限元分析法在此系统上模拟的可靠性。上述研究为本项目的顺利开展提供了参考和依据。这次的毕业设计根据前人的技术经验，对发动机排气系统进行模态分析，建立三维实体模型导入Abaqus软件中划分有限体积离散网格并进行分析，得出相关结论。1.3软件的介绍对于我的工作课题，我需要学习的软件是Abaqus、hypermash、Catia等软件。1.3.1 abaqus软件介绍Abaqus被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。Abaqus不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。Abaqus的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得abaqus被各国的工业和研究中所广泛的采用。Abaqus产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。Abaqus作为一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，abaqus除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。1.3.2 Hypermesh软件介绍HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，HyperMesh的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型(UG,Pro/E,CATIA等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。同样，Hypermesh也具有先进的后处 理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的CAE分析工作就无法进行；而如果采用Hypermesh，其强大的几何处理能力使得Hypermesh可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。1.3.3 Catia软件介绍CATIA是CAD/CAE/CAM一体化软件，位居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户在使用共13万套以上的CATIA为其工作，大到飞机、载人飞船和汽车，小到螺丝钉和钓鱼杆，CATIA可以根据不同规模、不同应用定制完全适合本企业的解决方案。 CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA的著名用户包括在世界制造业中具有举足轻重的地位一大批知名企业，如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等。在中国，CATIA也得到了广泛的应用。哈尔滨、沈阳、西安、成都、景德镇、上海、贵阳等都选用CATIA做为其核心设计软件。包括一汽集团、一汽大众、沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用CATIA开发他们的新车型。1.4、本文主要工作内容本文针对G820车型1.8L发动机排气系统主要零部件进行模态分析。以减振、降噪及降低零部件因共振因素导致零部件断裂的风险为主要目标，运用abaqus分析软件得出发动机排气系统在自由状态和约束状态下的固有频率和振型。本文主要内容如下：1、根据已有的发动机排气系统三维几何模型 ，利用catia、abaqus、hypermesh等软件得出排气系统的网格模型，对其进行简化并分析。2、通过abaqus这个软件对排气系统进行模态分析。自由模态不施加任何约束，得出前23阶的固有频率和振型；在自由模态的基础上，对模型施加约束，得到排气系统在约束模态下的固有频率和振型。3、通过得出的自由模态和约束模态下的固有频率，得出减小共振的措施。1.5 本章小结 本章简要介绍了汽车排气系统的主要结构、研究汽车排气系统目的和意义以及排气系统分析在国内外研究成果及进展情况。最后还重点阐述了本文的主要内容等。二、理论基础及原理2.1 前言对汽车排气系统振动问题的早期研究方法是试验法，即通过试验进行排气系统与整车平顺性的匹配，这种方法费时、费力、成本高。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。简单地说，模态分析是根据用结构的固有特征，包括频率、阻尼和模态振型，这些动力学属性去描述结构的过程。2.2 模态分析基本理论介绍模态分析的经典定义12是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。由于采用模态截断的处理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算机时，减小了机器容量，降低了计算成本。这对大型复杂结构的振动分析带来很大的好处。模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。年代就已形成，但发展成为今天这样较为完整的理论及方法，却经历了较长的岁月。近十余年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数辨识技术的发展奠定了理论基础。模态分析就是利用理论或实验的方法求得表示弹性结构系统动态特征的模态参数, 也就是求解系统力学方程式的特征值问题(特征值和特征向量)13。所谓模态参数是指系统的模态频率(即固有频率)、模态阻尼、振型以尽广义质量和广义刚度等. 也可将模态频率和阻尼合在一起称为系统的极点或复特征值, 将振型称为模态向量或特征向量。模态分析的核心内容就是识别出表征系统特性的模态参数，如固有频率，振型等。主要有频域和时域两类辨识方法，频域模态参数识别是利用频响函数的测试数据提取模态参数的方法。时域模态参数识别是利用振动响应的时间历程数据进行参数识别的方法。系统的动态特性是指系统随频率、刚度、阻尼变化的特性。它既可以用频域的频响函数描述，也可以用时域的脉冲响应函数描述。本文分别采用频域法和时域法对汽车排气系统进行模态实验分析。模态分析的实质，是一种坐标变换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述，这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。运用这一系统的好处是；利用各特征向量之间的正交特性，可使描述响应向量的各个坐标互相独立而无耦合。自动控制理论中的传递函数（或频率响应函数）概念的引入，对模态分析理论的发展起着很大的推动作用。传递函数反映系统的输入与输出之间的关系，反映系统的固有特性，是系统在频域中的一个重要特征量，亦是频域中识别模态参数的依据。因此，对传递函数的特性分析，并建立它与模态参数之间的关系，是模态分析理论中的一个重要内容。模态分析过程如果是由有限元计算的方法取得的,则称为数值模态分析;如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数,称为试验模态分析。两种方法各有利弊,目前的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机地结合起来,取长补短,相得益彰。利用试验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力模型;利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性和响应,进行结构的优化设计。数值模态分析主要采用有限元法,它是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后,在计算机上作数学运算的理论计算方法。它的优点是可以在结构设计之初,根据有限元分析结果,便预知产品的动态性能,可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题,并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。只要能够正确显示出包含边界条件在内的机械振动模型,就可以通过计算机改变机械尺寸的形状细节。有限元法的不足是计算繁杂,耗资费时。这种方法,除要求计算者有熟练的技巧与经验外,有些参数(如阻尼、结合面特征等)目前尚无法定值,并且利用有限元法计算得到的结果,只能是一个近似值。正因如此,大多数数学模拟的结构,在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验,以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足,特别对一些重要的或涉及人身安全的结构,就更是如此。2.3 模态分析的原理模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。因此模态参数辨识是模态分析理论的重要内容。对于 N 个自由度的比例阻尼系统，其强迫振动的微分方程14为： （2-1）对于无阻尼自由振动情况，f(t)=0，C=0，则式（2.1）为： (2-2)令带入2.2，则方程变为： (2-3)式中：M质量矩阵，kg；C阻尼矩阵，N（/ m/s）；u位移矩阵，m；K刚度矩阵，N/m；自振圆周频率，rad/s；F(t)结构受到的力矩阵，N。式（2.3）有非零解的充分必要条件是系数行列式等于零，即: （2-4）对于n阶振动系统，可以解出n个非负实根（i=1,2,3，n），即特征值。按照由小到大的顺序排列如下： （2-5）把带入式(2.3)就可解出与其相对应的矢量（i=1,2,3，n），即特征向量，上面所求得的的算术平方根即为系统的第i阶固有频率，又称特征频率或模态频率，与之对应的为第i阶主振型，也称固有振型或模态振型。2.4 本章小结 本章主要讲述的是模态分析方面的知识，从为什么要用模态分析，到模态分析的各个概念，最后简单介绍了一下模态分析的数学原理公式。三、模型的建立3.1研究对象的介绍3.1.1 排气系统的组成 汽车的排气系统是排放和降噪的重要总成，它主要由排气管、催化式净化器、消声器、尾管等组成。主要功能是把发动机在燃烧过程中产生的废气从多个气缸内收集、清洁(经三元催化器)、消声，然后引到车后排放。1排气管排气系统看似只是简单的管道，其实设计时不仅要考虑到特定的底盘布置，而且排气系统的长度、管径大小、消声器的大小都要考虑到排气气体的流动，防止相邻气缸排气时气流的互相干涉。在电喷发动机上，氧传感器就装在排气总管上，它感应排气中氧分子含量并反馈至电控单元（ECU），从而决定迸入发动机内的混合气比例。2催化式净化器排气总管连接催化式排气净化器。催化式排气净化器的关键在于“催化”，也就是利用催化剂对汽车的废气进行净化，将废气中的有害物质转化为无害物质。催化式排气净化器有氧化型、双床型、三元型等多种型式，其中最常用的是三元型催化式净化器。壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式通道上涂有催化剂，催化剂的成份有铂、钯和铑等稀土金属，当汽车废气通过净化器的通道时，一氧化碳和碳氢化合物就会在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生反应产生无害的水和二氧化碳，而氮氧化合物则在催化剂铑的作用下被还原为无害的氧和氮。所谓三元型催化式净化器是指汽车废气只要通过净化器本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质的一种高效率净化器。 三元型催化式排气净化器的净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种标准装置。当然，催化式排气净化器也不是全能的，它只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，如果使用含铅汽油，废气中的铅就会复盖催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，所以现在的车用汽油一般都是无铅汽油。3消声器从催化式排气净化器出来就连接到消声器了。消声器横截面是一个园形或者椭圆形的物体，多用薄钢板焊制，装在排气系统的中部或者后部位置上，它内部有一系列隔板、腔室、孔洞和管道，利用声波反射互相干扰抵消的现象，使声能逐渐消弱，用以隔离和衰减排气门每次打开时产生的脉动压力。目前，越来越多的消声器采用镀铝不锈钢材料，降低重量并可延长寿命。排气门开启时高速冲出的废气所产生的脉动压力是产生噪声的根源，又称为气流噪声，噪声可达120分贝以上，是人体承受不了的。轿车常用的消声器多是倒流式，即废气流通过元件内部时要改变方向。现在还有一种电子消声器，传感器从排气总管出口处截取气流压力波形，反馈至计算机并指令扬声器（装在系统内）产生一个同样波形的相反波去互相抵消，从而减少噪声。消声器虽然能降低噪声，但会降低一些发动机功率，因为就算设计完善的消声器也会在系统中产生一些背压，从而降低发动机容积功率，因此一些竞赛车是不装消声器的，开起来噪声十分大。4尾管与消声器连接最后一节是尾管，它是排气系统最后一段管子，将废气引出车外。尾观管有单排气和双排气两种，一般V型发动机或大排量发动机采用双排气，小排量车采用单排气。3.1.2 对排气系统的要求1、材料要求：必需使用PVC聚乙稀材料（耐腐蚀）2、接口要求：设备排气口处需以硬管连接，使用密封胶密闭，以防止漏气。3、钻孔要求：设备为自然排气，墙面开孔高度需略高于排气孔，确保气体凝露后流回试验室3.2 几何模型的简化排气系统各部分零件之间主要采用焊接、刚性等连接，而在建立排气系统结构有限元模型时既要准确反映排气系统实际结构的振动特性，又要尽量减少单元的数量，节省计算机资源和计算时间。这就需要对模型进行简化处理。对于三元催化器简化为施加于其质心的集中质量单元以及和催化器等长的刚性梁的组合体。对于消声器，对于质心位于结构的中心线上的消声器，简化的方法同三元催化器，唯一的不同是集中质量一般不在刚性梁的中心。对于质心不在中心线上的消声器，根据消声器的具体的拓扑结构，必须构建几根虚拟梁，用来表示消声器的中心线、进气管和出气管的结构，具体的方法必须根据具体的消声器结构而定。对于吊挂件，单方向的简化一般由一弹簧和弹簧平行的黏性阻尼组成，实际中的吊挂有三个方向的刚度和阻尼。简化后的排气系统冷端模型转化成有限体积模型后,可以避免网格数量过大造成计算负担过大使效率下降、计算的过程出错,软件中程序崩溃等问题。图3.1为简化后的排气系统几何模型。图3.1 排气系统(冷端)简化模型3.3 网格模型的建立几何模型简化完毕后，考虑到排气系统几何结构尺寸的大小以及计算机的计算能力，适当选择网格单元尺寸，在 Hypermesh中对三维几何模型进行有限元网格划分。汽车排气系统通常主要包括主副排气消声器、波纹管、法兰盘、挂钩、橡胶吊耳、主管和尾管。其前端法兰盘通过螺栓与发动机刚性相连， 中间法兰盘通过螺栓将管道连接， 挂钩处通过橡胶吊耳悬挂在车厢底板平面上。总体网格划分大部分为六面体网格，因为六面体网格具有较好的质量。少部分结构复杂的部位采用自由划分的四面体网格；本文中所建立的排气系统结构有限元网格模型，共产生78116个单元。最终生成的满足质量要求的网格如图3.3、3.4所示：图3.3 排气系统网格模型图3.4 排气系统网格模型23.4 本章小结在已有的三维模型的基础上，用Catia软件对模型进行简化；然后通过Hypermesh软件对简化后的排气系统模型划分网格，建立排气系统有限元的网格模型。四、排气系统模态分析4.1 前言 汽车排气系统一般长度约为 4.5 m 左右，由于排气管前端一般通过刚性杆以及法兰和发动机机体通过螺栓连接，而前端通过波纹管同排气系统的后端连接，因此将前端省略16，将其看作发动机系统的一部分，动力学分析简化一般仅考虑包含波纹管的排气系统冷端，即后端。即本文的模态分析都是针对排气系统冷端模型进行的。4.2 材料属性的赋予打开Abaqus6.10，将生成的网格模型导入Abaqus中，在Property功能模块中设置材料属性。点击Creat Material按钮创建材料。焊接部分的材料为SUS439，法兰为WN1.0570，其他的用SUS441。各材料的属性如表4.1、表4.2、表4.3所示。表4.1 焊接SUS439材料属性温度（K） 热传导率（w/m*k） 比热容（J/Kg*K） 密度(Kg/m3) 膨胀系数 杨氏模量(Pa) 泊松比 0 7600 20 26.1 229000000000.00 0.234 25 464 100494 0.0000102 20027.5 0.0000108 40028.2 0.0000114 60030.9 0.0000121 8000.0000125 10000.0000136 表4.2 法兰WN1.0570材料属性温度（K） 热传导率（w/m*k） 比热容（J/Kg*K） 密度(Kg/m3) 膨胀系数 杨氏模量(Pa) 泊松比 042078000.000012 210000000000.00 0.3100510.000012 210000000000.00 0.3200490.000013 3000.0000135 205000000000.00 0.3400430.000014 195000000000.00 0.35000.0000145 1000400.000015 160000000000.00 表4.3 其他SUS441材料属性温度（K） 热传导率（w/m*k） 比热容（J/Kg*K） 密度(Kg/m3) 膨胀系数 杨氏模量(Pa) 泊松比 0460760020180.0000091 210000000000.00 0.3300 240.0000108 181000000000.00 0.3450 0.0000114 500 165000000000.00 0.3550260.0000117 0.3650260.0000119 134000000000.00 0.3750270.0000123 108000000000.00 0.3850280.0000128 94000000000.00 0.3本文研究的模型是以毫米为单位的，根据表中数据，在实际软件操作时，需注意单位的换算。换算完成后，输入Abaqus中Edit Material窗口对应的选项中。材料创建完成后，需要创建截面。根据所创建的材料属性，把材料属性添加到创建的截面上，在这里要区分固体和壳体，比如法兰选固体，焊接部分为壳体。截面创建完成后，需要定义截面属性。即把创建好的截面赋予到模型相应的部位。4.3 自由模态的分析计算对某汽车的排气系统进行了自由模态分析，即不考虑排气系统的吊挂件和支撑以及排气歧管约束对排气系统振动的影响16。自由模态分析的主要是求解排气系统的固有振动属性，为整车平顺性匹配提供依据.自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性。通过自由模态的分析，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有个大概的了解。在不同的约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约束对模态的影响。对于本文所研究的排气系统，计算它的自由模态的时候，需要去除加在各悬挂点及与排气歧管连接的法兰盘断面的约束。在创建好各个连接及提交工作后，所计算出来的数据。在Abaqus中step功能模块中设置频率提取分析步，类型选择Linear perturbation。提取排气系统的前23阶固有频率。注意，本文需要的网格类型为三维网格，需要在Mesh功能模块中将网格类型设置为3D stress。而二维网格设置为Shell。设置完成后，在Job功能模块中，创建分析工作。提交工作后可得到排气系统的前23阶的固有频率和对应的振型图。固有频率如表4.4，振型图如图4.2。表4.4 发动机排气系统自由模态下的固有频率阶数固有频率（cycles/time）阶数固有频率（cycles/time）10.0001330.99620.0001432.62130.0001551.18640.0001659.29250.0001768.80760.0001873.14570.0001996.39580.00020111.0590.00021169.611011.47822189.241119.61723215.961219.794 对某汽车的排气系统进行了自由模态分析，即不考虑排气系统的吊挂件和支撑以及排气歧管约束对排气系统振动的影响。自由模态分析的主要是求解排气系统的固有振动属性，为整车平顺性匹配提供依据。所采用样车的发动机转速范围不超过8006000r/min，对应的发动机点火频率范围不超过200 Hz，而由表4.4中可知，最高振动频率在26.7200Hz内。表4.4列出了排气系统对激励的频率响应函数的峰值频率，即对应阶次的系统固有频率。由分析结果可见：1阶至9阶的固有频率近似为0，这是因为排气系统是刚性体，1至9阶频率可认为是系统离散刚体的固有频率。由于发动机激励频率范围为26.7200 Hz，因此在进行排气系统设计时，应重点考虑在此激励频率附近的频率所对应的振型即可。因此，主要对排气系统的10阶模态到20阶模态进行分析。4.4 约束模态的分析计算在实际应用中，排气系统冷端需要与排气系统热锻刚性连接，各个悬挂点与车身也需要有连接，故悬挂点处也需要有约束。在不同的约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约束对模态的影响。约束模态分析得出的结果更接近实际情况，所以需要对发动机排气系统进行约束模态分析。在利用Abaqus软件对排气系统进行约束模态分析时，可采用与自由模态同样的分析方法，只需要在自由模态的基础上对排气系统有限元模型施加边界条件，即约束。对于本文所研究的排气系统：排气系统冷端与热端刚性连接的法兰断面施加约束；在所有与车身连接的悬挂点处，也要对悬挂点施加约束，两个法兰连接处，本应该是螺栓连接，在这里用参考点与螺栓孔内表面所有节点刚性连接的方法。设置分析步依旧为频率提取分析步。这里提取约束模态下排气系统前20阶的固有频率。如表4.5。表4.5 发动机排气系统约束模态下的固有频率阶数固有频率（cycles/time）阶数固有频率（cycles/time）19.89291160.678210.3951274.323310.9521397.282411.86914111.80512.68015170.63616.82416191.27718.74317215.06826.23018217.88934.39619242.331036.96420263.07由表4.5可知，根据对排气系统实际得到的发动机激励频率范围(10-135Hz)，只需关心在激励频率附近的频率所对应的振型即可。即分析2阶到14阶的振型。下面列出几阶约束模态下排气系统的云纹图。如图4.1。图4.1 排气系统性的几阶约束图4.1中，2阶约束模态是X轴向上的一阶线性变形，频率为10.395Hz；5阶约束模态是Y轴方向上的一阶线性变形，频率为12.680Hz；6阶约束模态是Z轴方向上的一阶线性变形，频率为16.824Hz；14阶约束模态是排气系统围绕X、Z轴中间某条直线的扭转模态，频率为111.80Hz。而振动最强烈的地方一般在催化器的两边。由表4.4、和表4.5看以看出排气系统自由模态和约束模态下的固有频率的比较，为了清楚比较，可观察两者的对比图。如图4.2。图4.2排气系统约束模态与自由模态频率对比图由图4.2可以看出自由模态的固有频率与约束模态的固有频率的对比关系。约束模态的固有频率总是略高于自由模态的固有频率。4.5 共振分析发动机工作时产生的高频振动通过连接的部件最终传递到排气系统。发动机的转速n、汽缸数i以及发动机冲程数是影响发动机的振动对排气系统产生激励振动的主要因素，发动机的激励有两种：一是与其转矩相等而方向相反的倾翻力矩，二是不平衡的二次往复惯性力主矩发动机正是在这两种激励下发生振动并影响到排气管直列式发动机倾翻力矩主谐量的频率而其计算公式为4： （4-1）对于四缸、四冲程发动机，当发动机的转速为6000r/min时，则。整个排气系统（包括热端等）与发动机相连，所以排气系统的固有频率必须避开发动机的激振频率及车体的激振频率，否则很容易发生强烈的共振。因此，排气系统自身的固有频率应远离外界的激励频率，避免出现共振现象。由上述分析可知，排气系统约束模态下的固有频率总该是比自由模态下的固有频率大。而自由模态第10阶、约束模态第1阶的频率均小于于发动机的最大激励频率。为使排气系统减振，应改变其固有频率，使之远小于发动机怠速及行驶工况下的激励频率16。考虑到排气系统为成型产品，易采用改变排气系统刚度来改变其固有频率的方法16，因此把发动机和排气管的进口之间由过去的刚性连接采用波纹软管连接、改变排气管与车架之间两处橡胶环的悬吊刚度等措施来降低排气总管的模态频率，以避免排气管发生共振。经改变后，发动机排气系统的固有频率显著的降低，远离发动机的工作频率范围，使发动机排气系统的振动得到了明显的改善。4.6 本章小结本章利用Abaqus这个有限元分析软件，对发动机排气系统进行了模态分析。分析了自由模态和约束模态下发动机排气系统的固有频率。结果发现自由模态第十阶频率为11.478Hz，第一阶约束模态排气系统的固有频率为9.8929Hz，均小于外界激励频率，可以避免发生共振。第五章 工作总结与展望5.1 工作总结 汽车排气系统是发动机的重要部件, 其设计的好坏不但影响发动机的泵气损失及排放,而且还会引起强烈的噪声和振动。在汽车的使用过程中, 排气系统由于受到发动机振动和排气激励的影响, 并通过吊挂将振动能量传递到车体, 从而引起车身振动并产生车内噪声。因此, 如何降低排气系统传递到车身的振动能量, 以减小车身的振动和噪声, 是排气系统研究与设计的重要内容。本文对某车型的排气系统进行了有限元模态分析。通过最初的查阅资料、文献等大量资源，以发动机排气系统冷端为研究对象，利用Abaqus软件为工具，进行了研究。研究内容主要是发动机排气系统的自由模态及约束模态分析。通过分析，获得了排气系统在两种模态下的固有频率，为以后对排气系统的改进优化提供了依据。5.2 工作展望由于本人的技术水平有限，所以在整个毕业设计的工作过程中，还有很多的不足。1、由于创建的模型比较复杂，在模型的很多地方都做了相应的简化。比如法兰盘的刚性连接简化为点与螺栓孔内表面的刚性连接，波纹管也简化为参考点和网格的刚性连接，还取消了焊接等一些结构，而实际中焊接对排气系统的性能有一定的影响。2、由于本文的工作都只是在理论的基础上分析进行的，并没有经历过实际实验的证实，所以分析结果并不是真正符合实际情况的。3、在网格细化方面，本文之对部分网格模型进行了细化，对分析结果有一定的影响。4、本文只对排气系统进行简单的振动分析，并没有考虑其他因素的影响，如温度的影响，这对分析结果的精确度有一定的影响。5、 可以将地面输入并从车架通过排气系统各个吊挂部件向系统传递的振动以及动力总成通过排气系统刚性吊挂件向系统传递的振动也纳入整个排气系统的主要振源之内，通过更加准确的对实际情况的模拟来达到更精确的仿真分析的目的。参考文献1、汽车排气系统振动模态分析及悬挂点优化, 田育耕，刘江华，王岩松,徐振华, (1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院， 2.上海工程技术大学 汽车工程学院2、乘用车排气系统模态分析数值模型研究，杨万里，陈燕，邓小龙，三峡大学机械与材料学院3、基于有限元的汽车排气系统模态分析，方勇，张建武，上海交通大学 机械与动力工程学院4、发动机排气系统振动分析，邢素芳，王现荣，王超，郭占敏，河北