摘 要

随着社会的发展，人们对汽车的要求越来越高。结构紧凑合理，NVH性能良好的汽车受到消费者普遍欢迎。而汽车排气系统的振动作为影响乘坐舒适性的主要因素之一，自然也受到汽车行业的广泛关注。研究排气系统的振动特性，不仅能选取合适的悬挂位置，同时也可以提高汽车的舒适性，延长排气系统的寿命。排气系统的振动分析用于整车开发初期选取最佳的吊钩位置，也为排气系统的结构优化提供了方法。

本文借助Hypermesh软件，详细介绍了排气系统的建模过程。针对排气系统的不同构件，文中分别描述了其功能，解释了如何进行几何清理和网格划分。在划分部分零件的网格时，还详细列出操作过程。同时，还添加了动力总成和悬置的模型。

通过对排气系统进行自由模态分析，得出排气系统的固有频率及振型。利用平均驱动自由度位移法（ADDOFD）优化悬挂位置，选取最佳的吊钩位置。通过与原排气系统悬挂位置对比，分析现方案和原方案的差异，提出了优化建议。同时，对排气系统进行静力分析，得到排气系统各吊钩的受力情况。初步从静力学角度验证了吊钩位置选取的合理性。

接着对排气系统吊钩车身侧和排气侧进行模态分析，分析结果表明排气吊钩排气侧结构满足要求，而车身侧的结构不合理。通过调整吊钩与车身的连接件的厚度，车身侧的结构也满足设计要求。接着对排气系统进行约束模态分析，得到了排气系统在约束状态下的频率及振型。结合发动机的怠速激励频率，分析结果表明排气系统不会与发动机产生共振。

最后，对各吊钩传递给车身的力进行分析，结果显示各排气吊钩在非刚体模态下传递给车身的力均小于10N，这进一步验证了悬挂位置的合理性。

关键词：排气系统，模态分析，平均驱动自由度位移法，悬挂位置，静力分析

Abstract

With the development of modern society, people have higher and higher request for cars. Those cars who have large room, compact structure and good NVH performance are well welcomed. As one of the main factors that affect the comfort of driving，the vibration of automobile exhaust system is getting more and more attention. Doing the research of the vibration of exhaust system, not only can help us select the right hanger locations，but also could extend the life of the exhaust system. It is important to do the research of vibration before the production of cars.

In this paper，the finite element model of exhaust system is established by using Hypermesh software. Due to the exhaust system is a complex structure，the content described the structure and the function of every part of the exhaust system in detail. How to do the geometric cleaning and meshing is presented in the paper. A FEM of powertrain and suspension is also created to satisfy the need of analysis.

By analyzing the free modal of the exhaust system，the natural frequencies and vibration modes of the exhaust system are obtained. ADDOFD method is used to select the hanger location. Then，the static analysis of the exhaust system shows the forces of every hook. Compared with the original exhaust system，the differences between them are showed clearly and a plan of optimization is put forward. The static analysis of the exhaust system verified the reasonability of the hanger location preliminarily.

Then the modals of hook，one part is near the body and one part is near the exhaust system，are carried out to analyze the structure. The structure of the part near the body is unqualified，but it is qualified after optimization. The structure of another part meets the requirement. While the exhaust system is constrained, a constrained modal analysis of exhaust system is done. The vibration modes of the exhaust system under different frequencies are obtained. The result shows that the exhaust system can aviod the excaitation frequency of engine and would not resonate with the engine.

Finally, the forces which are delivered to the body by hooks, are calculated. The force of every hook is less than 10N, so, the the rationality of hanger location is further improved.

Key words: exhaust system, modal analysis, ADDOFD, hanger location, static analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 所用软件的介绍 3

1.4 本文主要研究内容 3

第2章 模态分析理论 4

2.1 模态分析定义及基本理论 4

2.2 平均驱动自由度位移法 4

2.3 本章小结 5

第3章 有限元模型的建立 6

3.1排气系统零部件的简化与模型建立 6

3.1.1 排气管的建模 6

3.1.2 波纹管的建模 6

3.1.3 三元催化转化器的建模 8

3.1.4 消声器的建模 9

3.1.5 法兰的建模 10

3.1.6 排气吊钩的建模 11

3.1.7 连接的建立 11

3.2 排气系统有限元模型的建立 12

3.3 本章小结 13

第4章 排气系统悬挂位置的确定 14

4.1自由模态分析 14

4.2排气系统悬挂位置选取 16

4.3 悬挂位置的初步验证 18

4.3 本章小结 19

第5章 排气系统的振动分析 20

5.1排气系统动力总成的建模 20

5.2 排气系统吊钩车身侧模态分析 21

5.3 排气系统吊钩排气侧模态分析 23

5.4 排气系统约束模态分析 24

5.5排气系统吊耳传递力分析 26

5.6本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1研究工作总结 28

6.2 研究展望 28

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着现代社会的发展，人们对汽车的要求越来越高。消费者在购买汽车时，燃油经济性、结构合理性和乘坐舒适性是必会考虑的三大因素。而发动机排气系统的振动作为影响乘坐舒适性的主要因素之一，自然也受到汽车行业的广泛关注。发动机的排气系统一方面通过法兰与排气歧管相连，另一方面通过排气吊钩与车身相连。车辆行驶时，发动机的振动、排气的激励和车身的振动均会引起排气系统的振动。而排气系统的振动会通过吊耳传递到车身结构，传递力的大小影响着乘坐的舒适性。同时，过大的排气系统的振动会减少排气系统相关组件的寿命。因此，可通过减少排气系统振动来提高汽车的舒适性和排气系统的可靠性。本文将利用Hypermesh软件建立发动机排气系统模型和动力总成悬置模型。通过对排气系统进行自由模态分析，利用平均驱动自由度位移法（ADDOFD）选取悬挂位置。对选取悬挂位置的排气系统进行静力分析，查看每个吊钩的受力情况。同时，对排气吊钩车身侧和排气侧进行模态分析，查看其结构是否合理，对不合理的结构予以优化。接着对排气系统进行一定的约束，然后分析其约束状态下的各阶频率和振型，结合发动机的怠速激励频率，判断排气系统是否与发动机产生共振。最后通过频率响应分析，计算出每个吊钩传递给车身的力，从而验证吊钩位置的合理性。排气系统振动的研究分析对汽车开发初期排气系统的设计有一定的参考价值。

1.2 国内外研究现状

在国内，有众多学者对发动机排气系统振动进行研究，对优化排气吊钩的位置和减小车身侧的传递力有很大的指导意义和参考价值。杨万里等^[1]建立了排气系统完全网格模型和简化模型，并对两种模型进行了约束模态分析。通过对比试验模态分析数据，证明了简化后的模型更符合实际结构。吴永桥^[2]建立了排气系统的六面体网格模型，静力分析结果表明温度对排气系统的位移和应力影响较大，模态分析结果表明排气系统在XY平面振动比较激烈，需加以约束。蒋启成^[3]对排气系统进行了模态分析，根据排气系统的主要固有频率和振型，解释了如何隔离发动机振动。李林凌等^[4]根据排气管气-固耦合系统振动方程，实验分析得出影响气-固耦合系统振动的重要因素是气流速度。邓邦林等^[5]利用Nastran对排气系统进行自由模态分析，来确定悬挂位置是否合理，同时还得出了排气系统的振动传递呈高度非线性的结论。邢素芳等^[6]对某轻型柴油机排气管开裂的原因进行分析，利用Nastran对有限元模型进行分析，找出了开裂原因并对排气系统连接方式加以改进，较少了排气系统的振动。刘名^[7]利用Ansys软件进行排气系统模态分析，通过谐响应分析计算出吊钩传递到车身的力，最后利用正交试验找出了吊钩的最佳位置。陆益民等^[8]对排气系统进行了静力分析、约束模态分析和动力分析，利用平均驱动自由度位移法选择了合适的悬挂位置。吴迪等^[9]利用Hypermesh和Nastran软件对排气其系统200Hz之前的模态进行叠加，选取了合适的吊耳位置，减少了排气系统的振动。田育耕等^[10]利用Hypermesh和Nastran软件对某车型的排气系统进行有限元建模和模态分析，结果表明此方法对优化悬挂位置和缩短整车周期十分有效。武汉理工大学侯献军^[11]简化了波纹管，并建立了排气系统有限元模型。静力分析结果中系统的位移、应力和吊钩受力云图表明该排气系统吊钩受力均匀、满足设计要求。约束模态数据表明排气系统可以避开发动机怠速和经济转速下的激励频率，因此，发动机与排气系统可避免共振。

此外，田静^[12]以Hypermesh和Ansys有限元分析软件，对排气系统各个子部件进行了有限元模型建模，通过自由模态分析，利用平均驱动自由度位移法优化了悬挂位置。通过约束模态分析和动力学分析，验证了调整后吊钩位置的合理性。武汉理工大学侯献军等^[13]运用UG三维建模软件将DPF总成部件加入到了排气系统中，利用Hypermesh软件对考虑DPF的柴油机排气系统进行有限元建模，利用平均驱动自由度位移法选取了悬挂位置。通过对排气系统进行静力学、约束模态、随机振动分析和随机疲劳计算，验证了所选取的悬挂位置的合理性。