非线性排气系统波纹管修正模型的模态分析
汽车排气总管的模态分析
工程结构模态分析文献综述_______________________________________________________________________________________ 汽车排气总管的模态分析摘要：汽车排气总管是排气系统的重要部分。
采用有限元法分析排气对管壁的作用，确定排气总管的固有频率和振动模态。
为减小某轻型货车排气总管在发动机怠速情况下的振动，利用MSC/ NASTRAN有限元分析软件对其进行模态分析。
分析结果表明：怠速下发动机的激励频率与该排气总管的固有频率发生耦合，引起了共振。
针对实际生产情况，通过改进发动机与排气总管的连接方式改变了排气总管的固有频率，降低了振动。
关键词：排气总管；有限元法；模态分析；流固耦合0 引言汽车排气总管是发动机排气系统的重要部分。
其设计的好坏不但影响发动机的泵气损失及排放，而且还会引起噪声和振动。
对它进行流固耦合的静力分析和模态分析，其结果可用来防止排气总管因振动过大，导致破裂而漏气。
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。
针对某改装轻型货车排气总管在发动机怠速下振动过大的现象，利用MSC/NASTRAN有限元分析软件计算排气总管的振动模态，找出故障原因并加以改进。
1 流固耦合分析流固耦合分析可采用顺序耦合和直接耦合的方法。
顺序耦合包括多个按一定顺序排列的分析，通过将前一个分析的结果作为载荷施加到后一个分析中的方式进行耦合。
直接耦合使用包含多场自由度的耦合单元，通过计算所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
对于非线性程度不高的问题，顺序耦合法更灵活、更有效。
在多场问题中，顺序耦合分析是相对独立的，可以单向耦合，也可以双向耦合。
汽车排气系统静力学计算及模态分析
（上接第３９页）
解决，提高了整车的ＮｖＨ水平和声品质。
ｏ
、 置。
出 豫
Ｏ
Ｏ
ｏ
２００
４００
６００
８００
频率小ｚ
转速，ｒ．ｍｉｎ’１ 图１０车内右后座位处的５００ ｔｔｚ倍频带声压比较
一４２一
（。ｎｌ…＝７０。０ ｒ／ｍｉｎ滞气激励嚣兰篓兰鹜三Ｈｚ、发动机釜 济转速（现＝３ ０００ ｒ，ｍｉｎ）排气激雹频率五＝ｌｏ？Ｈｚ，多
两个转速对应的激励频率与计算的固有频率不同， 因此，可避免共振发生嗍。可见，有限元计算模态对
排气系统的振动特性分析具有指导意义．与试验模 态结合．可以很好地完成排气系统的振动性能分析。
图ｌ某轿车排气系统的有限元模型
表１零部件的材料属性
零部件
材料
弹性模鞋 ／ＭＰａ
泊松比
管道、消声器
４０９Ｌ
２．０６ｘｌｏｓ
０．３
密度， ｋｇ·ｍ。３ ７ ７００
法兰．吊钩
Ｑ２３５
橡胶吊耳 橡胶ＥＰＤＭ
２．１×１０ｓ ７．８
０．３ ０．４７
７ ８５０ ８７０
图２重力载荷下排气系统位移
３排气系统的有限元仿真分析
控制研究．振动．测试与诊断．２００１，２１（１）：５９～６４．
４庞剑．谌刚．何华．汽车噪声与振动——理论与应用．北京：
北京理丁大学出版社．２００６． ５ 张志华．周松．黎苏．内燃机排放与噪声控制．哈尔滨：哈尔
滨工程大学出版社．２００５． ６舒歌群．高文志．刘月辉。动力机械振动与噪声．天津：天津
大学出版社．２００８． ７赵松龄．噪声的降低与隔离（下册）．上海：同济大学出版
汽车排气系统总成模态分析
汽车排气系统总成模态分析王帅杜长远杨蓓摘要汽车排气系统的振动对汽车舒适性和排气系统寿命有重要的影响，文章利用SolidWorks软件建立某轿车排气系统的装配体模型，利用HyperMesh和ANSYS联合仿真有限元分析方法，对汽车排气管后消声器总成模型进行模态分析。
通过模态分析结果，分析汽车排气系统振动频率及危险位置，分析结果对相关排气系统后消声器总成设备进行优化设计有指导意义。
关键词汽车排气系统；模态分析；有限元方法中图分类号:U464.134.4文献标识码:ADOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.19.018王帅研究方向为机械设计制造及其自动化,上海市东方海事工程技术有限公司。
杜长远里海大学,研究方向为机械力学,上海市东方海事工程技术有限公司。
杨蓓上海电机学院,研究方向机械设计,上海市东方海事工程技术有限公司。
AbstractThe vibration of the car’s exhaust system has an important influence onthe comfort of the car and the life of the exhaust system.In this paper,the SolidWorks software is used to build the assembly model of a car exhaustsystem.The modal analysis of the rear exhaust muffler assembly model ofthe automobile exhaust pipe is carried out by Hyper Mesh and ANSYSjoint simulation finite element analysis.Through the modal analysis results,the frequency and dangerous position of the vehicle exhaust systemvibration are analyzed.The analysis results have important guiding significance for the design of the exhaust muffler assembly exhaust system.Key WordsVehicle exhaust system;Modal analysis;Finite element method0引言随着汽车行业的高速发展，汽车轻量化是主要发展方向之一[1]，除了汽车的安全性，汽车的舒适性也越来越受到重视。
排气系统模态及振动响应分析
机电技术 2012年2月110作者简介：卞信涛(1987－)，男，工程师，研究方向：汽车噪声与振动。
排气系统模态及振动响应分析卞信涛(东南(福建)汽车工业有限公司研发中心，福建 福州 350119)摘 要：文章介绍利用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，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。
关键词：排气系统；模态；振动；频率响应分析中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-110-03动力总成作为车辆的主要振动激励源，其工作时产生的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车身，若吊耳位置及其性能匹配不佳，会导致较大的车身振动通过座椅、地板和方向盘直接传递给乘客，进而影响乘员舒适性。
所以，控制传递到车身上的力是排气系统振动控制的最主要目标之一。
本文对某排气系统约束模态分析的结果进行评价，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，为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据。
1 排气系统模型创建图1 排气系统有限元模型图1为排气系统的有限元模型，以下是该模型的主要组成部分：动力总成部分：动力总成(包含排气歧管)是用质量、惯量、刚性梁和弹簧来模拟的，它的质量和惯量参数施加在质心上，用三个弹簧单元(每个弹簧单元有X 、Y 、Z 三个方向的刚度)来模拟悬置衬套，三个刚性梁单元分别将质心与悬置衬套连接起来。
动力总成的质心与排气系统的开始端也用刚性梁单元相连。
排气系统部分：排气系统依据3D 模型建立，包括三元催化器、副消音器、主消音器以及吊耳等。
球连接及吊耳橡胶部分：球连接主要控制动力总成传递到冷端的振动，球连接只有三个方向的转动自由度，吊耳车身侧被动挂钩与排气系统侧主动挂钩间的橡胶用弹簧单元模拟，并设置X 、Y 、Z 三个方向的刚度。
汽车排气系统静力学计算及模态分析
汽车排气系统静力学计算及模态分析汽车排气系统是引擎的一部分，它的作用是将引擎燃烧产生的废气和噪音从车辆底部排出，为了保持引擎的性能和减少对环境的影响，排气系统的设计必须考虑静力学计算和模态分析，以下将详细介绍这两个方面。
一、静力学计算静力学计算旨在确定在引擎运转时，排气系统中存在的压力及对它会产生的力和扭矩的影响。
这些力和扭矩的作用都会导致排气系统产生振动，下面我们将从三个方面进行分析：1. 背压计算在排气系统中，背压是指尾气在流经排气系统时产生的空气压力之和，这个压力会对引擎的性能产生影响。
当排气系统中背压过高时，会使引擎的性能下降。
因此，在设计排气系统时必须要根据引擎的输出和尾气产生的流量来计算背压。
2. 力和扭矩计算在引擎工作时，排气系统受到的总体力和扭矩都是非常关键的参数。
这些参数可以通过测量排气管的弯曲、长度、截面面积等参数来计算。
当排气系统的力和扭矩较大时，可以采用更加坚固的材料来制造排气系统，以确保其能够承受这些作用力。
3. 振动计算振动是指排气系统在引擎工作时产生的机械波动。
这种振动可以对排气系统和其他部件产生损伤。
因此，在设计排气系统时，必须要考虑振动特性，以便控制和减少振动。
二、模态分析模态分析旨在确定排气系统的共振特性，例如本征频率和共振幅值等，以便设计人员能够更好地了解设计中可能出现的问题。
这种分析可以使用有限元分析的方法进行，下面我们将具体介绍：1. 有限元分析有限元分析是一种计算机辅助的工程分析方法。
在排气系统的设计中，有限元分析可以用于计算其振动、应力和变形等。
有限元分析的主要目的是确定系统中的自由振动模态和固定点的受力和应变，以便设计人员可以精确地计算设计参数。
2. 本征频率和共振幅值分析在分析排气系统的振动时，本征频率和共振幅值是非常重要的参数。
本征频率是指系统的自由振动频率，而共振幅值是指系统受到外部作用力时产生的响应。
在排气系统的设计中，必须要考虑到这两个参数，以确保排气系统能够在运行时不会受到过大的振动影响。
某汽车排气波纹管异响问题研究及设计优化
X（t）
=
棕
2 nf（t）源自=2列 4 缸 4 冲程发动机在 3 000 r/min 转速对应的发火
频率按如下公式计算：
f=
nz 60i
=
3 000 伊 4 60 伊 2
越 100 Hz
（1）
式中，n 为发动机转速；z 为发动机气缸数；i 为发
动机冲程系数，四冲程 i = 2，二冲程 i = 1。
排气系统进行扫频试验，扫频试验原理如图 4
三元催化器
排气管
悬挂胶
消声器
波纹管
图 1 波纹管在排气系统的安装位置
软管
波纹管
外网
护网圈
对售后反馈某车型异响问题进行实车问题确认 和主观评价，发现发动机转速扫过或者稳定在 3 000 r/min 转速左右时，异响重现，其它转速无异响发生。 异响发生时，波纹管发出“嘶~嘶~嘶”尖锐刺耳响声， 主观评价为不可接受噪声。仔细观察发现，异响发生 时波纹管和外网振动剧烈，且外网振动让人眼有眼
和图 5 所示，输入 2g 加速度激励，在 15 ~ 200 Hz 频
率范围扫频，测量波纹管加速度响应值。结果如图 6
所示，在 100 Hz 频率附近存在大于 1g 的峰值加速
度，在此处频率加速度响应极大。
挂钩、悬挂胶、基座
0.6
0.4
0.2
5.674E-5
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Frequency/Hz
45
Equipment Manufacturing Technology No.12，2019
排气波纹管技术参数包括刚度、线性位移极限、 气密性等要求。其中静刚度主要影响波纹管耐久性 能，动刚度影响排气系统 NVH 性能，线性位移起到 波纹管运动限位的作用，气密性检查装配是否牢固 和是否有开裂缺陷。异响一般由内部开裂漏气、共振 响应大产生摩擦引起。
重卡排气系统的模态分析及试验优化
重卡排气系统的模态分析及试验优化作者：张贵勇苏长春来源：《中国科技博览》2016年第30期[摘要]排气系统的振动与噪声是影响整车 NVH水平的重要因素，良好的排气系统结构布局和刚度匹配能够有效的降低排气系统与发动机之间以及车体之间的振动能量传递。
采用Hyperworks软件对某涡轮增压式发动机重型卡车两种类型排气系统进行有限元建模，同时依据有限元理论对此排气系统进行静平衡分析和模态分析，并通过实车振动测试对分析结果进行试验，以验证改进方式的有效性，不仅解决了频繁发生的排气管断裂问题，也为排气系统刚度及零部件布局的选择提供技术依据。
[关键词]排气系统振动模态有限元分析中图分类号：TM641 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0003-011 引言重型卡车作为一种生产工具，其使用的可靠性至关重要。
重卡排气系统在实际使用过程中的载荷工况比较复杂和恶劣，不但要承受来自发动机和路面的激励载荷作用，同时排气系统的热端还要承受高温热循环载荷的作用。
在这两种载荷同时作用下，汽车排气系统尤其是热端部分，很容易产生疲劳破坏而失效。
针对某重卡排气系统涡轮增压器端口部位排气管频繁损坏的现状，通过建立有限元分析模型，并通过振动试验测试验证的方法提出改进方案。
2 排气系统模型2.1 排气系统的物理模型图1为某重卡排气系统的三维模型，主要包括前排气管、排气辅助制动器、减震单元、后排气管、催化消声器和排气尾管，排气管材料为SUS 304不锈钢。
排气系统前端通过螺栓与发动机刚性相连，中间采用减振单元，后端与消声器连接。
在整车使用过程中，存在排气系统与发动机相连接的前排气管断裂问题。
2.2 系统摸态分析针对前排气管断裂问题，利用HyperMesh建立排气系统热端排气管有限元模型，模拟排气系统连接形式，采用二阶4面体单元，平均网格大小为4mm，进行网格划分，设定约束后，利用Abaqus对系统进行模态分析求解，排气系统模态计算结果如表1。
汽车排气系统模态敏感度分析
汽车排气系统模态敏感度分析Modal Sensitivity Analysis of Automotive Exhaust System代智军周新刘海波徐东辉(天纳克汽车工业有限公司上海研发中心）摘要：本文以Altair HyperWorks 作为前处理工具，对某型号汽车排气系统进行网格离散化，进而建立敏感度分析模型，分析讨论了汽车排气系统材料弹性模量、管壁厚度、吊耳刚度和绕性节刚度数据对排气系统各阶模态的影响。
本文的研究结果对排气系统的后续优化设计工作具有一定指导意义。
关键词：模态分析，汽车排气系统，敏感度分析，HyperWorksAbstract: In this paper, Altair HyperWorks was used as the pre-processing tool to meshing one automotive exhaust system, and to set up the modal sensitivity analysis model. Then the effects of material Young’s modulus, component wall thickness and isolator stiffness data on system mode frequency were analyzed. Results of this paper can be the reference for the following exhaust system optimization design.Keywords: modal analysis，automotive exhaust system, sensitivity analysis, optimization1引言汽车排气系统在实际使用过程中的载荷工况比较复杂和恶劣，不但要承受来自发动机和路面的激励载荷作用，同时排气系统的热端还要承受高温热循环载荷的作用。
车辆排气系统模态和振动特性及组件敏感性研究
车辆排气系统模态和振动特性及组件敏感性研究车辆排气系统作为汽车的重要组成部分之一，除了发挥着排放废气的作用，还会影响车辆的性能和噪声体验。
研究车辆排气系统的模态和振动特性，以及组件的敏感性，可以为车辆的噪声、振动与精度方面提供重要的参考，有利于优化车辆设计和提高车辆性能。
首先，我们来了解一下车辆排气系统的模态和振动特性是什么。
说的简单点儿，模态就是在特定光滑周围，震荡频率最低且震荡模态比较单一的状态；振动特性就是对车辆排气系统施加外力后所产生的振动的性质和规律，例如桥架和腾纵梁的振动特性。
通常，车辆排气系统的振动会产生一系列的噪声，可能会影响车内的乘坐舒适度。
车辆排气系统的振动特性与其结构有关，排气系统主要由排气管、消声器和尾管组成。
排气管是由许多管道构成的，如果管道上出现谐振波，就会引起某些引起外界动态作用的短暂激烈振动，在驾驶过程中会产生强烈的噪音。
消声器通过包含一些吸音材料以降低噪音。
尾管主要作用是将废气从汽车的后部排出，通常不会影响车辆的振动性能。
除此之外，车辆排气系统各组件之间的敏感性也是需要研究的。
不同大小，使用材料不同的排气管，需要考虑其尺寸和形状的影响，例如在保证足够放气量的基础上尽量缩短减少发动机输出平台长度来提高车辆的动力。
消声器内填充了不同类型和密度的吸声材料，不同的填充方式，能够降低不同振动频率的噪音的输出。
为了研究车辆排气系统的模态和振动特性，目前多采用有限元法来进行数值分析，通过对输出的振动频谱进行计算，并比较不同组件结构之间的差异，来选取出最为合适的结构方案，如选取合适尺寸尽量缩短减少发动机输出平台长度，选择合理的吸音材料，并调整消声器内部的填充方式等，以达到最优的噪音控制效果。
综上所述，车辆排气系统的模态和振动特性，以及组件的敏感性研究，对汽车厂商优化车辆设计，提高车辆的整体性能、降低噪音、振动和精度方面提供了很大的帮助，让驾驶体验更加舒适愉悦。
在研究车辆排气系统的模态和振动特性时，需要考虑到许多因素，例如排气管的材质与厚度、消声器的填充材料与结构、尾管的长度等，这些因素都会对振动特性产生影响。
排气系统模态及振动响应分析
排气系统模态及振动响应分析1 排气系统模型1.1几何模型排气系统，包括三元催化器、波纹管、前消声器、后消声器、连接管、连接法兰等。
四处吊挂分别位于前消声器前后和后消声器的前后，以橡胶悬挂在车厢底板平面上，见图1。
整体坐标系采用右手法则的直角坐标系，X轴为从汽车前部指向后部，Y 轴指向汽车右侧，Z 轴指向上方。
图1 排气系统的三维几何模型1.2有限元模型排气系统大部分为薄板结构，采用壳单元来进行模拟；对连接法兰，则采用实体进行模拟，生成网格。
由于波纹管、三元催化器、消声器结构的复杂性，在分析和建模过程中，进行了以下处理：（1）对波纹管结构，根据设计部门提供的波纹管结构数据，在CAD软件中建立波纹管的壳模型，然后将建立的模型组装进排气系统，进行网格划分。
排气系统波纹管段的网格要非常细密，才能保证求解精确。
（2）三元催化器、前消声器取其外壳和内部隔板划分网格，不足的质量采用集中质量单元加在部件质心。
吊挂3后消声器（3）后消声器取实际模型；（4）有限元模型中，将连接法兰之间的橡胶密封垫省略，两个法兰间采用RBE2连接。
法兰的体网格与管道的壳网格、管道的壳网格之间用MPC连接。
（5）做自由模态分析时，忽略橡胶悬挂、吊钩等结构；（6）橡胶悬挂简化为线性弹簧。
图2为其有限元模型，体网格划分采用六面体单元，面网格采用四边形单元。
(a) 前段(b) 后段图2 排气系统有限元模型2 约束模态与振型节点分析2.1 模态分析对排气系统进行了约束模态分析。
约束点取排气系统与发动机排气歧管连接法兰螺栓以及5个吊钩与车身连接处。
表2为排气系统的前16阶自由模态频率及其振型说明。
图3为前10阶振型。
表2 排气系统前16阶自由模态阶数振型说明(主要变形)1 XOY面内一阶弯曲2 XOY面内一阶弯曲3 XOZ面内，以波纹管为中心整体摆动4 XOZ面内一阶弯曲5 一阶扭转6 二阶扭转7 前段XOZ面内一阶弯曲，后段扭转8 三元催化器段XOZ弯曲9 以XOZ面内弯曲为主10 以XOY面内弯曲为主11 三元催化器段弯曲12 三元催化器段弯曲13141516（a）1阶振型（b）2阶振型（c）3阶振型（d）4阶振型（e）5阶振型（f）6阶振型（g）7阶振型（h）8阶振型（i）9阶振型（j）10阶振型图3 前10阶振型2.2振型节点分析图4为排气系统前10阶振型节点位置。
某型汽车排气系统的模态分析
《装备制造技术》2021年第2期某型汽车排气系统的模态分析李祖业1,谢华林2,龚运息2,杨迪新1(1.柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州545000;2.广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州545006)摘要：利用U G和Hyperworks软件联合建立了某汽车排气系统的有限元模型，并对该排气系统进行了模态分析，得到 系统的各阶频率及固态振型，并且使系统的固有频率避开了发动机的激励频率，为排气系统后续N V H性能的研究供了 依据。
关键词:排气系统；有限元法;模态分析中图分类号：U464.134 文献标识码:A汽车排气系统主要由排气管、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。
其中主、副消声器可以有效的降低汽车 在行驶过程中发动机排气产生的噪音；波纹管以及 排气系统悬挂装置可以用来减少排气系统的振动，从而提高系统的可靠性及寿命。
目前,模态分析是国 内外学者对排气系统结构进行优化和振动噪声研究 的基础。
雷刚等[^通过模态分析得到排气系统的固 有频率，根据模态振型节点确定吊钩位置;Ra。
等[3]对 排气系统进行模态分析，认为排气系统吊耳和悬挂 点对车内振动和噪声具有重要影响;冯晓柠|4]对排气 系统振动特性进行研究，根据模态分析所得到的系 统振型，对挂钩模态与系统模态进行控制优化，成功 避免了排气系统结构与发动机结构共振。
本文对某车型排气系统结构进行了研究，结合 U G三维建模软件与三维仿真软件Hyperworks的特 性对其进行了模态分析。
通过模态仿真分析可以得 到各组成结构的固有频率及振型，调整排气系统振 动贡献较大振型的结构，对于改善排气系统的使用 性能以及寿命有很大帮助，并且能够对后续NVH性 能的研究提供一些必要的参考和建议。
1排气系统有限元模型通过U G建立排气系统三维实体模型，然后导入 Hypermesh软件中。
由于排气系统结构较为复杂，在 不影响求解精度的情况下为了减少计算时间，进行文章编号：1672-545X(2021 )02-0097-03有限元模型建立时，会对其部分组件几何结构进行 简化处理％其中，排气系统连接管、消声器壳体、消 声器内部进、排气管、隔热板等结构厚度与长度相差 太大，所以采取抽中面的方法，简化为三角形或四边 形的壳体单元;消声器内部穿孔管、隔板上的小孔不 予考虑；波纹管使用一个弹簧单元和两个质量点来 代替，两端用RBE2刚性单元与连接管道相连。
汽车排气系统的模态分析
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摘 要 ：汽 车 排 气 系 统 同 发 动 机 和 车 体 相 连 为 降 低 发 动 机
，
，
工
作 过 程 对 环 境 和 乘 员造 成 的 影 响 文 章 对 排 气 系 统 进 行 了
，
模 态 分 析 并 探 讨 了 发 动 机 的 振 动 对 汽 车排 气 系 统 的 影 响 得 出 排 气 系 统 在 各 阶 频 率 下 的 振 型 图
，
在 划 分 网 格 之 前 由 于 建模 时 各 个 曲 面 之 间 没 有
， ，
，
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对 该 排 气 系统 建 模 时 只 需
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排气系统模态分析相关条件及参数
排气系统模态分析相关条件及参数
1、数模及尺寸
整个排气系统总成和各部件的数模（实体）及外观尺寸参数
2、各部件断面
用于刚度及惯性矩计算，含同一部件有变化的各个断面
3、材料规格
含材料的比重、弹性模量、泊松比
4、质量参数
各部件的质量及质心位置
5、专项部件参数
⑴柔性管（BELLOWS ASSY）
①外形尺寸、质量及质心位置
②刚度参数，如下表
⑵消声器总成（含主、副消声器）
①外形尺寸、质量及质心位置
②沿X、Y、Z轴三个方向的转动惯量、惯性矩、刚度值
⑶三元催化转化器
①外形尺寸、质量及质心位置
②沿X、Y、ZL轴三个方向的转动惯量、惯性矩、刚度值
6、吊点悬置参数（用于吊点传递函数分析计算）
①目前的吊点位置
②胶垫的K值（静刚度和动态刚度）和C值（阻尼特性）
7、发动机的振动特性
用于排气系统CAE结果分析。
非线性模态分析
摘要：接触分析和模态分析是结构分析的重要内容之一。
利用ANSYS 的接触分析功能和APDL 语言的用户接口，将ANSYS 的模型数据输出到用户分析模块中完成非线性的接触模态分析，然后将计算结果读回，利用ANSYS 的后处理模块将计算结果显示出来，实现了ANSYS 平台上的接触模态分析，使ANSYS 能够更好地完成结构系统级的性能分析。
关键词：ANSYS，接触，模态1 前言机械系统的特点是由多个零件通过各种方式联接起来的一个系统。
机械系统的性能分析除了零件的性能分析以外，零件之间的联接特性的分析也是一个重要方面。
零件之间的联接性能分析，本质是一个接触问题的分析，是机械结构非线性分析的一种典型类型。
线性系统的模态分析技术是了解线性结构振动特性的一个重要手段，已经广泛应用在结构动力修改、优化设计、故障诊断、状态检测等诸多领域。
近年来，以非线性动力学理论为基础的非线性模态分析逐渐成为非线性振动研究中的热点之一。
其原因是机械工程中存在着大量的非线性问题，传统的线性模态分析技术无法得到准确的结果。
解决机械系统中的非线性问题，首先要面对的就是如何处理结构间的非线性的接触问题。
非线性模态（NNMs）理论是线性模态理论的自然发展，最初是由美国加州大学伯克利分校的Rosenberg[1] 等人引入的，主要研究离散、无阻尼非线性系统的自由振动。
1991年，Shaw 和Pierre[2] 引用动力系统理论中不变流形（invariant manifold）的概念来定义非线性模态，将非线性模态定义为系统相空间中二维不变流形上的运动。
这一开创性的工作，将该领域的研究带入了一个新的发展阶段。
Shaw 和Pierre 定义的非线性模态既可用于保守系统，也可用于非保守系统。
在文献[3] 中他们指出，当系统存在内共振关系时，应将不变流形的维数提高到四维。
1994 年，Nayfeh 针对内共振非线性系统提出了复不变流形方法[4]。
陈予恕、吴志强[5,6]认为非线性模态为系统相空间中偶数维不变流形上的运动。
排气系统约束模态分析规范-xy
1
适用范围
排气系统约束模态分析。
2
定义
排气系统有限元模型为钣金件模型，不带催化剂、吸声棉等。 Nhomakorabea3
分析设置-模板选择
默认选择Nastran模板。
4
分析设置-卡片设置
1. SOL卡片：选择SOL103，Normal Modes分析。 2. PARAM卡片：勾选POST，设为PARAM,POST,-1，输出OP2结果文件。写 入UNSUPPORTED_PARAMS=1，设为PARAM,CHECKEL,NONE。
5
分析设置-设置Load
Collectors
Card image选择EIGRL，名称设置为EIGRL。编辑Load Collectors，V1写入1， V2写入200。
6
分析设置-设置Constraints
Load Types选择SPC，选择发动机悬置点和排气挂钩点，约束上六个自由度。
7
分析设置-设置loadsteps
9
结果后处理
1. 打开HyperView，载入*.bdf模型文件和*.op2结果文件。 2. 提取排气系统一阶模态频率与振型。 3. 提取排气系统二阶模态频率与振型。 4. 提取排气系统三阶模态频率与振型。（根据客户需求而定） 5. 提取排气系统四阶模态频率与振型。（根据客户需求而定）
10
1. Name写入Exhaust_SMode_Analysis。 2. Type选择normal modes。 3. 设置METHOD(STRUCT)= EIGRL荷载集编号；SPC=spc。 4. 点击edit，勾选OUTPUT/DISPLACEMENT，完成loadsteps设置。
8
1.10飞行环境模拟排气系统非线性特性建模与仿真技术
项目名称
飞行环境模拟排气系统非线性特性建模与仿真技术
研究内容
研究目标：
针对排气试验系统非线性特征突出、模型不确定程度高、系统建模难度大、无法准确表征排气环境压力动态变化的技术难题，掌握排气系统非线性动态特性建模方法，获得排气系统试验设备动态模型库，为飞行轨迹模拟控制与优化提供技术支撑。
研究内容：
8）排气系统模型实时仿真软件设计、集成、调试与优化
技术指标
小涵道比涡扇发动机在飞行高度5km~12km、过渡态时间5~10s、空气流量20~70kg/s变化条件下，排气环境系统级模型压力精度：稳态压力≯±5kPa或≯±5%；过渡态压力≯±10kPa或≯±10%。
周期要求
研究周期：2.5器进出口压力动态特性分析及模型辨识方法研究
3）排气调节阀动态特性分析与建模方法研究
4）基于试验数据挖掘的排气系统非线性瞬态建模方法研究
5）基于典型小涵道比涡扇发动机流量特性的排气耦合动态特性分析
6）构建飞行环境模拟排气数字仿真系统
7）排气系统模型降阶及拆分技术研究
模态理论
Tyler & Sofrin 模态分析理论非定常来流与叶片干涉产生的声波在风扇或涡轮中并非是任意形态存在的。
Goldstein 在假定平均流场有势的前提下，建立起了平均流场中任意一点的扰动量与远前方来流扰动量之间的相互关系，给出了下面的方程，()()00002000111I D D Dt c Dt ϕρϕρρρ⎛⎫-∇∇=∇ ⎪⎝⎭u （0-1）由以上方程可知，在非均匀平均流的情况下，来流扰动不仅通过边界条件与声扰动相互作用，而且在传播过程中也会与声扰动耦合，并形成如（2-2）右边所示声源[68]。
在航空发动机叶轮机内部，最重要的边界条件就是管道效应，由于管道边界的限制，声波在其中只能以特定的形态出现，也就是我们常说的模态。
在均匀平均流中，考虑一个环形管道，硬壁条件，对小扰动有下面的对流波动方程[12]，2222222110i M p p x x r r r r ωυ⎛⎫∂∂∂∂∂⎛⎫+-+++= ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭ （0-2）波动方程描述的特征值问题是可解的，环形管道中我们可以将它的一般解展开为傅里叶-贝塞尔形式的模态()()()1,,m m ik x ik x im m m m m p x r A e B e U r e μμθμμμμθ+-∞∞---=-∞==+∑∑ （0-3）这里径向模态和径向、轴向波数分别满足()22222210m m m m m m m m m U U U r r Mk k k μμμμμμμμααω±⎛⎫'''++-= ⎪⎝⎭=--= （0-4） 其中，径向特征模态()m U r μ以贝塞尔函数的形式出现，m 和μ分别表示周向和径向模态数。
满足上述波动方程的声波解在环形或圆形管道中会以图2-4所示的螺旋波形式出现和传播。
Tyler 和Sofrin 是最早研究叶轮机内部叶片非定常气动力旋转模态特征的学者，他们的研究结果已经成为当代航空燃气涡轮发动机气动声学设计的主要理论基础之一。
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ｖ ｅ ｒ ｆ ｉ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ Ｌ Ｂ ｕ ｔ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒｅ ａ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｓ ｔ ｉ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ， ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｔ ｆ ｉ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｌ ａ ｃ ｕ ｌ ｔｉ ａ ｏ ｎ
机 械 设 计 与 制 造
７ ０
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
＆
Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
第 ２期 ２ ０ １ ５年 ２月
非线性排 气 系统波纹 管修 正模 型的模 态分析
黄泽好 ， 姜广 志 ， 郑风 云 ， 袁光 亮
（ １ ． 重庆理工大学 汽车零 部件制造及检测技术教育部重点实验室 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ５ ４ ；
ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ， ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｃ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｓ ｉ ． Ｐ ａ ｒ ｔ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｓ ｉ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ａ ｄ ｂ ｅ ｅ ｎ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒｅ ａ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ如ｅ ｐ ｒ ｏ ｏ ｆｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ． ａ ｎ ｄ
４ ０ ０ ０ ５ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｍ ｅ ｓ ｈ ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｈ ｔ ｅ ｂ ｅ ｌ ｌ ｏ ｗ ｓ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｕ ｎ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ， ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｓ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ
２ ． 重庆理工大学 车辆工程学 院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ５ ｒ ｍｅ ｓ ｈ建立双层无加强型波纹管非线性接触有 限元模 型进行静 力学分析 。试验应力验证 了该非线｜ ｝ 生 Ｊ 模
型基本 可行 ， 但 比较仿真刚度与试验 刚度 、 经验公式计算刚度 时显 示轴 向刚度误差较大 ， 主要原 因是 由于波纹管加 工成
Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ５ ４，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ
ＨＵＡＮＧ Ｚ ｅ － ｈ ａ ｏ ，Ｊ Ｉ ＡＮＧ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ － ｚ ｈ ｉ ， Ｚ ＨＥ ＮＧ Ｆ ｅ ｎ ｇ － ｙ ｕ ｎ ，ＹＵＡＮ Ｇｕ ａ ｎ ｇ － ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ２
（ １ ． Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅ Ｐ ａ ｒ ｔ ， Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｙ ｒ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ
型后 管壁 变薄引起 的。参考经验公式中修正壁厚 的方法 ， 对轴向刚度仿真结果及非线性有限元模 型参数进行修 正， 修 正
后的仿真结果均满足工程要求。最后应用修正后的波纹管非线性有限元模型进行动态特性分析 ， 结果表明该波纹管怠速
工 况 下不会 共 振 。
关键 词 ： 波纹管 ； 有 限元 ； 刚度 ； 模 态分 析
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； ０ ３ ４ ３ ． ２ ； Ｔ Ｂ １ １ ５
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ — ０ ０ ７ ０ — ０ ４
Ｍｏ ｄ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｅｘ ｈ ａ ｕ ｓ ｔ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂｅ ｌ ｌ ｏ ｗｓ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｍｏ ｄ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ Ｎｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ
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