姚冬磊 谷孝海 賈帥帥 周長飛 張長城

摘要：針對某型柴油機(jī)消聲器支架共振使排氣接管產(chǎn)生斷裂的問題，對比分析優(yōu)化前后兩種消聲器支架系統(tǒng)，通過仿真分析計算出優(yōu)化后消聲器支架系統(tǒng)的模態(tài)，通過模態(tài)試驗(yàn)測量優(yōu)化后消聲器支架系統(tǒng)的模態(tài)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時對比分析優(yōu)化前后消聲器支架系統(tǒng)消聲器本體的振動烈度，得到優(yōu)化后結(jié)構(gòu)優(yōu)于原結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

Abstract： Aiming at the problem of exhaust pipe fracture caused by muffler bracket resonance of a diesel engine， two kinds of muffler bracket systems before and after optimization are compared and analyzed. The mode of the optimized muffler bracket system is calculated through simulation analysis. The mode of the optimized muffler bracket system is measured through modal test and compared with the simulation results， At the same time， the vibration intensity of the muffler body before and after optimization is compared and analyzed， and the conclusion that the optimized structure is better than the original structure is obtained.

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;NVH;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;柴油機(jī)

Key words： modal analysis;NVH;structure optimization;diesel engine

中圖分類號：U464.134.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0074-03

0? 引言

消聲器支架作為柴油機(jī)系統(tǒng)不可或缺的重要零部件之一，起著連接柴油機(jī)與消聲器的作用，它可以有效降低發(fā)動機(jī)傳遞到消聲器的振動，使消聲器正常工作。車輛在行駛過程中，受發(fā)動機(jī)自身振動的影響，發(fā)動機(jī)排出的氣體產(chǎn)生脈動壓力激勵和車架振動激勵等，使與消聲器連接的排氣接管容易產(chǎn)生疲勞斷裂故障[1-2]。消聲器在工作過程中受到來自不同方向的激勵，垂直方向主要來自車輛行駛過程中路面的激勵與發(fā)動機(jī)上下的激勵。左右方向的激勵是由于發(fā)動機(jī)扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生，前后方向的激勵主要來自車輛的加速與止動，當(dāng)發(fā)動機(jī)的激勵頻率與消聲器總成的固有頻率相近時，會造成消聲器產(chǎn)生共振，使零部件失效[3-4]。

本文以某型號柴油機(jī)消聲器支架因設(shè)計不合理導(dǎo)致排氣尾管斷裂為研究對象，以NVH角度分析消聲器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能，為優(yōu)化后消聲器結(jié)構(gòu)的合理性提供理論依據(jù)。優(yōu)化前后的消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1? 消聲器支架模態(tài)仿真分析

模態(tài)分析是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動力特性振動分析和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的常用方法。解析模態(tài)分析是在確定結(jié)構(gòu)幾何形狀、材料特征、邊界條件的基礎(chǔ)上把結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布分別用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣表示出來，最后再確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)的固有頻率、阻尼系數(shù)、模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以完整地描述系統(tǒng)的動力學(xué)特性[5]。

模態(tài)分析及模態(tài)測試的研究成果已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于工程機(jī)械設(shè)備及其零部件的振動控制中，且對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析，能得到所研究結(jié)構(gòu)的模態(tài)固有屬性（固有頻率、振型及阻尼比）。為了使得該結(jié)構(gòu)的固有頻率能避開激勵頻率，通常可以通過避免共振，來有效控制結(jié)構(gòu)的振動。而通過振型的分析，能有效發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動薄弱位置，繼而可以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以減小其相對振動的產(chǎn)生。

模態(tài)仿真分析的邊界與輸入直接影響仿真結(jié)果的精度與準(zhǔn)確性。以下對本文進(jìn)行的仿真分析輸入進(jìn)行說明。

1.1 網(wǎng)格劃分? 本文將增壓器、排氣歧管、支架、支撐塊等零部件使用二階四面體單元，消聲器、排氣接管、排氣尾管等使用殼單元，考察件平均網(wǎng)格大小為4mm，非考察見平均網(wǎng)格大小5-6mm。有限元模型如圖2所示。

1.2 零部件材料及輸入?yún)?shù)? 本文在進(jìn)行消聲器支架模態(tài)仿真分析時各零部件的參數(shù)輸入如表1、表2所示。

1.3 仿真分析結(jié)果? 通過上述的網(wǎng)格劃分與參數(shù)輸入，優(yōu)化后的消聲器支架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果如圖3所示。消聲器支架系統(tǒng)模態(tài)數(shù)值計算結(jié)果及振型描述如表3所示：消聲器支架系統(tǒng)的一階模態(tài)為99Hz，振型為消聲器前后的擺動;消聲器支架系統(tǒng)的二階模態(tài)為145Hz，振型為消聲器的左右擺動。一般規(guī)定消聲器支架固有頻率應(yīng)大于等于80Hz，且主振型方向應(yīng)沿曲軸中心線方向。通過仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后的消聲器系統(tǒng)滿足要求。

2? 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對比分析優(yōu)化前后消聲器支架系統(tǒng)的性能，本文分別對優(yōu)化前后的消聲器支架系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)。

2.1 模態(tài)試驗(yàn)

本文在進(jìn)行消聲器支架系統(tǒng)模態(tài)分析時，傳感器的安裝位置如圖4所示。分別在飛輪端懸置處、自由端懸置處、消聲器支架連接處與消聲器本體安裝測點(diǎn)。

為了測試消聲器支架系統(tǒng)的模態(tài)，本文通過測量發(fā)動機(jī)的原地升速與原地熄火振動計算消聲器支架系統(tǒng)的模態(tài)。

2.2 優(yōu)化后消聲器支架系統(tǒng)模態(tài)分析

首先明確模態(tài)試驗(yàn)的坐標(biāo)方向：從發(fā)動機(jī)飛輪端指向自由端為X軸正向，垂直向上為Z軸正向，右手法則確定Y軸正向。優(yōu)化后的消聲器系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，模態(tài)振型如圖5、圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的消聲器支架系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率為95.23Hz，與仿真結(jié)果的誤差為4%;二階模態(tài)頻率為160.12Hz，與仿真結(jié)果的誤差為9%。

2.3 優(yōu)化前后消聲器支架系統(tǒng)試驗(yàn)對比分析

本文主要測試了發(fā)動機(jī)在原地升速工況與原地熄火工況的優(yōu)化前后消聲器支架系統(tǒng)的振動烈度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。原地升速工況下原結(jié)構(gòu)消聲器本體的振動烈度最大為160mm/s，優(yōu)化后消聲器本體的振動烈度最大為110mm/s，振動烈度降低了31%。原地熄火工況下原結(jié)構(gòu)消聲器本體的振動烈度為132mm/s，優(yōu)化后消聲器本體的振動烈度為68mm/s，振動烈度降低了48.5%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后消聲器支架系統(tǒng)降低消聲器的振動烈度效果顯著，優(yōu)化后的消聲器支架系統(tǒng)優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜曉平，尤國權(quán)，劉安寧.運(yùn)用CAE分析技術(shù)解決拖拉機(jī)消聲器斷裂問題[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008（08）：37-41.

[2]王玉帥，樊文欣，李康.某圓形消聲器模態(tài)及動力學(xué)有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（01）：43-45.

[3]凌文曙.基于ADAMS的消聲器振動耐久性分析[J].機(jī)械工程師，2008（08）：69-71.

[4]李惠彬.振動理論與工程運(yùn)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：207-208.

[5]沃德·海倫·斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯.白化同，郭繼忠，譯.模態(tài)分析理論與實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.