【摘 要】针对某车型设计阶段的排气系统，以其振动性能为研究指标，采用有限元法对排气系统进行约束模态分析，结合平均驱动自由度位移法（ADDOFD），使得悬挂点布置方案更为合理；在频率响应分析中，研究排气系统振动特性，为其结构优化设计提供依据，从而保障排气系统工作的可靠性和使用寿命，最终达到提高排气系统整体性能的目标.
【关键词】汽车排气系统；振动；分析
引言
随着国民经济快速发展和汽车行业技术的不断创新，汽车作为工业产品已在人们的工作和生活中扮演了重要角色，给人们的交通运输带来了极大的便利。汽车的保有量逐年增加，在基本的便利性得到满足下，人们对汽车性能提出了更高要求。良好的NVH性能，将会在振动和噪声方面更加卓越，舒适性上得到更好体验。乘坐舒适性不仅仅是消费者对于汽车产品的重要需求，同时也是各大汽车公司研发过程中所关注的关键性能。提升汽车NVH性能已经成为了各大汽车厂商角逐市场份额的重要竞争力之一。
1、排气系统有限元模型的建立
排气系统的组成主要包括了排气管、氧传感器、波纹管、法兰、消声器以及悬挂组件等.在三维软件中导出IGES数据格式并导入CAE软件HyperMesh中，根据分析计算的特点，在考虑计算效率和计算精度的前提下，对模型进行前处理.在几何清理简化过程中，遵循不影响分析结果的原则，比如不考虑氧传感器，并修复其安装孔，忽略消声器穿孔管上的圆孔特征（与声场和流场特性相关）等；网格划分极具复杂性，包括单元类型的选取、质量参数的控制、連接方式的模拟等等，在有限元建模过程中的难点有以下几点：1）薄壁件，如主副消声器（含隔板）、三元催化器、排气管管体，使用壳单元PSHELL处理，网格尺寸5mm.2）排气系统挂钩、法兰采用四面体PSOLID单元模拟，网格尺寸3mm.3）螺栓连接、焊缝、点焊等连接采用RBE2刚性单元.4）波纹管两端采用RBE3连接排气管、再用六自由度弹簧单元CBUSH连接两端进行等效模拟，设置6个方向的刚度值；弹簧单元的质量用质量单元Mass分两部分分别加在其波纹管两端头部（排气管的中心），每部分质量为波纹管总质量的一半.5）在动力总成的建模中，发动机作为刚体进行处理，以附带惯性属性的质量单元Mass进行模拟.用弹簧CBUSH模拟发动机的悬挂（隔振器）并设置相应的刚度值；其中质心位置与法兰连接位置、悬挂位置通过刚性单元进行连接.
2、排气系统振动性能分析
2.1、排气系统挂钩动刚度分析
排气系统是发动机的机械振动传递到车身的主要途径之一，其一端通过连接法兰与发动机相连，另一端通过挂钩和吊耳与车内地板相连。因此排气系统隔振性能的好坏直接影响整车的NVH性能。排气系统振动过大，会加剧系统各组件的疲劳损坏，振动通过车内地板传到驾驶室，对轿车的乘坐舒适性也有较大的影响。因此，在排气系统设计过程，应保证隔振性能满足设计要求。吊耳隔振率是判断排气系统隔振性能的重要标准之一，工程要求隔振率应不低于20dB。排气系统的隔振系统主要由挂钩和吊耳组成，主动侧挂钩连接排气系统与吊耳，被动侧挂钩连接吊耳与车身，分析时一般将隔振系统简化为三个不同刚度的弹簧串联模型。
2.2、排气系统运动干涉分析
排气系统通过吊耳挂钩与车身相连，而吊耳为超弹性材料，故在行车过程中会引起排气系统的振动与晃动。排气管路弯折处较多，运动幅度较大。若排气系统在行车过程中与车身发生运动干涉，排气组件与车身的碰撞不仅会引起系统异响，大大降低轿车的乘坐舒适性，也会降低组件的使用寿命。因此有必要对排气系统进行运动干涉分析，即分析排气系统在极限工况下的变形情况。通用公司制定了28种车辆运行工况，其中模拟汽车在行驶过程中可能遇到的10种恶劣工况。建立包含不同加速度加载方向和倍数的载荷集，来模拟汽车的极限工况。最后在Nastran的线性静力分析模块中计算出各工况下排气系统各测点的位移，以判断排气系统各组件是否与周围部件发生干涉。
3、排气系统振动性能优化
3.1、挂钩位置评估
合理的悬挂位置可以保证各个挂钩承重更加均匀，避免因单个挂钩和吊耳承重过大而引起的局部变形过大甚至断裂而影响排气系统总体寿命。而从振动传递角度分析，挂钩的理想悬挂点在排气系统节点处，不仅可使排气系统传递到车身的振动达到最小值，还可以降低路面激励通过吊耳传递到系统引起的冲击，提高排气系统疲劳耐久性。工程设计中主要根据平均驱动自由度位移法（ADDOFD），来布置挂钩悬挂点。但在实际设计中挂钩位置的选取仍受底盘空间和装卸便利性的影响，因此不可能完全按ADDOFD法布置。根据ADDOFD理论，一般先在仿真软件中对排气系统有限元模型进行编号，从发动机与排气系统的连接法兰到排气尾管合理选点以确定布局点，再进行自由模态分析，提取主要频率段各点的模态振型，最后根据ADDOFD理论计算各点的位移，以各点的编号为横坐标、位移为纵坐标绘制位移曲线，曲线的波谷附近即为挂钩理想位置。
3.2、排气系统振动灵敏度分析
为了更有效地对排气系统进行优化和改进，有必要分析系统各变量对约束模态、振动性能和疲劳耐久性的影响程度和影响规律，从而更有针对性地确定优化范围。灵敏度分析是研究与分析一个系统（或模型）的状态或输出变化对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法。灵敏度分析主要用于优化问题，通过研究对优化目标影响较大的参数，从而更迅速地确定输入变量、并根据其影响程度及范围预测优化的趋势。灵敏度的物理意义为变量取不同值时系统响应的变化差值与变量差值的比值，即单位变量值引起的系统响应差。实际上由于系统的结构比较复杂，实际变量对系统响应的影响与理论数学公式模型具有一定误差，在仿真计算时往往对系统和变量进行一定的简化。
3.3、动刚度分析
动刚度作为描述减振性能的关键指标，通过不同频率单位激励与系统的响应之间的关系，来描述系统的动态特性.当排气系统悬挂点最终布置调整后，采用模态法频响分析法，对悬挂挂钩进行动刚度分析.排气系统无需约束，对挂钩与悬挂橡胶连接位置处分别沿X、Y、Z方向施加单位激励，为了保证动刚度分析的精确度，将载荷激励频率范围设为0～200Hz，自然模态频率范围设为0～400Hz.对每个挂钩进行计算分析，比如前消的一个吊钩，在29Hz、53Hz左右，吊钩Z向速度有明显峰值，考虑全约束模态振型情况，总体上在0～400Hz频率范围内基本满足低于动刚度目标值的要求.经过动刚度计算分析，根据对标车设定的动刚度目标值，对不满足要求的悬挂进行针对性改进，进而合理地设计悬挂系统.
结束语
模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，为结构的振动特性分析、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，避免工作频率与固有频率相近而产生共振，提高排气系统的使用寿命.为了能够更准确地反映排气系统在设计阶段以及在实际运行中的振动特性，采用约束模态分析法，再根据平均驱动自由度位移法确定、优化悬挂布置方案，使分析更为合理可靠.通过频率响应分析，以确定排气系统悬挂的动刚度是否合格，吊耳的振动传递率是否满足振动性能要求.在排气系统设计阶段采用有限元法，对其振动特性进行具体而合理的分析研究，可预见性地解决潜在的设计问题，提高排气系统乃至整车的振动性能.
参考文献：
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（作者单位：长城汽车股份有限公司）