邱星，賈慧芳

?

某排氣系統(tǒng)頻率響應(yīng)強度與模態(tài)分析

邱星1,2,3，賈慧芳1,2,3

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 30052；2. 江西省乘用車結(jié)構(gòu)設(shè)計工程研究中心，江西 南昌 30052；3. 江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 30052）

采用頻率響應(yīng)方法對某排氣系統(tǒng)進行強度分析，獲取各個部件的應(yīng)力分布情況，其分析結(jié)果表明其最大應(yīng)力為34.8MPa，滿足強度要求?；谀B(tài)分析理論對該排氣系統(tǒng)進行約束模態(tài)分析，得到了其橫向擺動模態(tài)陣型、垂向擺動模態(tài)陣型、一階垂向彎曲模態(tài)陣型和一階橫向彎曲模態(tài)陣型，其模態(tài)頻率也處于發(fā)動機激勵頻率范圍之外，滿足模態(tài)要求。

排氣系統(tǒng)；頻率響應(yīng)；強度；模態(tài)

引言

排氣系統(tǒng)與發(fā)動機連接，同時通過吊耳與車身連接，其振動是影響整車NVH性能的主要因素，發(fā)動機的振動和路面的隨機振動傳遞給排氣系統(tǒng)，使車體產(chǎn)生振動和噪聲因此會影響整車的舒適度以及排氣系統(tǒng)附屬部件的疲勞強度。排氣系統(tǒng)包含了非常復(fù)雜的彈性元件和剛性連接，屬于多自由度復(fù)雜系統(tǒng)模型，往常的理論方法難以對其進行準確分析，因此需要采用更科學(xué)的建模方法和分析技術(shù)對排氣系統(tǒng)進行分析。現(xiàn)采用有限元分析理論以及頻率響應(yīng)分析方法對某排氣系統(tǒng)進行強度分析，獲取其各個關(guān)鍵位置的應(yīng)力分布，預(yù)防其發(fā)生疲勞風(fēng)險，同時對其進行約束模態(tài)分析，獲取其各階的模態(tài)頻率。

1 有限元分析理論

排氣系統(tǒng)在外力作用下會產(chǎn)生變形[1-3]，在其內(nèi)部則產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，其內(nèi)部任意一點的位移可描述為沿直角坐標(biāo)系方向的位移分量、、，其矩陣形式為：

即為位移矩陣。

排氣系統(tǒng)內(nèi)部任意一點的應(yīng)力狀態(tài)則可表示為σ、σ、σ、τ、τ、τ，其中前三項為正應(yīng)力，后三項為切應(yīng)力，其矩陣形式為：

即為應(yīng)力矩陣。

2 排氣系統(tǒng)強度分析

2.1 建立有限元模型

排氣系統(tǒng)主要由懸置前端支架、排氣彎管、排氣前管、波紋管、懸置后端支架、第一二吊掛、催化器總成、第三四吊掛、消聲器和排氣尾管構(gòu)成。采用Hypermesh軟件對該排氣系統(tǒng)進行前處理，其中包括清理幾何、抽取中面，網(wǎng)格單元尺寸為5mm，螺栓連接采用RBE2單元模擬，焊縫連接采用CWELD單元模擬，建立排氣系統(tǒng)有限元分析模型如圖1所示。排氣系統(tǒng)的前后管的材料為不銹鋼441，其屈服強度為250MPa，吊掛支架為Q235，其屈服強度為235MPa，。STEEL的彈性模量為206800MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9T/mm3。吊耳的彈性模量為5MPa，泊松比為0.47，密度為1.2E-9T/mm3。陶瓷載體的彈性模量為20594MPa，泊松比為0.24，密度為3.0E-10T/mm3。

圖1 排氣系統(tǒng)有限元分析模型

2.2 強度分析結(jié)果

約束各個支架和吊掛的自由度，動力總成質(zhì)量為383Kg，加載方向為Z向，激勵力為196N，分析頻率為0~100Hz，以此對其進行頻響分析。如圖2和圖3所示為排氣系統(tǒng)的應(yīng)力分布云圖，由圖2和圖3可知，其整體最大應(yīng)力為34.8MPa，位于第二吊掛處。圖示1處的最大應(yīng)力為21.8MPa，圖示2處的最大應(yīng)力為29.3MPa，圖示3處的最大應(yīng)力為12.7MPa，圖示4處的最大應(yīng)力為16.9MPa。如圖4所示為排氣系統(tǒng)應(yīng)力-頻率曲線圖，由圖4可知，其在頻率8.5Hz時的應(yīng)力為最大，34.8MPa。其最大應(yīng)力均小于材料屈服，滿足疲勞強度要求，能夠有效降低開裂風(fēng)險。

圖2 排氣應(yīng)力分布云圖

圖3 各個位置的應(yīng)力分布云圖

圖4 排氣系統(tǒng)應(yīng)力-頻率曲線圖

3 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論

通過模態(tài)分析可以確定該驅(qū)動橋殼的振動特性，包含其固有頻率和振型。排氣系統(tǒng)的運動微分方程為[4-5]：

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

約束動力總成、排氣系統(tǒng)與車身相連處123456自由度，基于Nastran軟件[6]對該排氣系統(tǒng)進行約束模態(tài)分析，圖5~圖8分別為排氣系統(tǒng)的橫向擺動模態(tài)陣型、垂向擺動模態(tài)陣型、一階垂向彎曲模態(tài)陣型和一階橫向彎曲模態(tài)陣型，其模態(tài)頻率分別為19.7Hz、34.9Hz、43.3Hz和51.8Hz，能夠避開發(fā)動機怠速激勵頻率范圍0~25.0Hz，滿足模態(tài)設(shè)計要求。在吊耳分布位置，系統(tǒng)各階模態(tài)均未出現(xiàn)較大變形，其符合要求。

圖5 橫向擺動模態(tài)陣型

圖6 垂向擺動模態(tài)陣型

圖7 一階垂向彎曲模態(tài)陣型

圖8 一階橫向彎曲模態(tài)陣型

4 結(jié)論

基于有限元分析理論對某排氣系統(tǒng)進行頻率響應(yīng)強度分析，其在8.5Hz時應(yīng)力最大為34.8MPa，各個關(guān)鍵位置均小于其材料屈服強度，滿足強度設(shè)計要求。約束動力總成、排氣系統(tǒng)與車身相連處的所有自由度，對該排氣系統(tǒng)進行模態(tài)分析，其前四階模態(tài)頻率分別為19.7Hz、34.9Hz、43.3Hz和51.8Hz，在發(fā)動機怠速頻率范圍之外，能夠滿足模態(tài)要求。該分析方法能夠為排氣系統(tǒng)進一步的優(yōu)化提供理論依據(jù)，同時指導(dǎo)未來的科學(xué)合理設(shè)計。

[1] 王卡.麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)的有限元分析[D].成都:西南交通大學(xué), 2005.

[2] 毛顯源.某SUV車多體建模與副車架強度分析[D].上海:上海師范大學(xué),2013.

[3] 樂天聰.某轎車懸架控制臂有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[4] 侯獻軍,劉志恩,顏伏伍,等.汽車排氣系統(tǒng)靜力學(xué)計算及模態(tài)分析[J].汽車技術(shù),2010（1）:40-42.

[5] 徐獻陽.車輛排氣系統(tǒng)的振動模態(tài)分析及優(yōu)化[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[6] 艾納基.汽車排氣消聲系統(tǒng)振動與模態(tài)分析[J].武漢:華中科技大學(xué),2011.

Frequency Response Strength and Modal Analysis of Exhaust System

Qiu Xing1,2,3, Jia Huifang1,2,3

( 1. Product Development & Technology Center, Jiangling Motors Corporation Limited, Jiangxi Nanchang 330052;2.Passenger car structure design Engineering Research Center of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330052;3.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330052 )

The exhaust system was strength analysised by adopting frequency response method, the stress distribution of each component were obtained, the analysis results showed that the maximum stress was 34.8MPa.it could meet the strength requirements. The exhaust system was constrained modal analysis based on modal analysis theory, the lateral swing mode formation, vertical swing mode formation, first order vertical bending mode formation and first order transverse bending mode formation were obtained, and their modal frequencies were out of the engine idle frequency, so it could meet the modal requirements.

exhaust system; frequency response; strength; modal

U464.134.4

A

1671-7988(2018)21-45-03

U464.134.4

A

1671-7988(2018)21-45-03

邱星（1982.04-），男（漢族），湖南衡陽人，中級工程師，碩士，江鈴汽車股份有限公司，主要從事結(jié)構(gòu)強度耐久分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.016