排气系统模态及振动响应分析

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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。

排气系统的噪声与振动分析

第五章排气系统的噪声与振动分析第一节排气系统概述1.排气系统的结构与种类排气系统一般是指与从发动机排气多支管到排气尾管各个部件组合。

图5・1为一个V型发动机的排气系统图。

排气系统包括：Y型管、催化器、柔性管、前置消音器、后置消音器、中间连接管、尾管、挂钩、挂钩隔振器等部件。

图5・1排气系统的组成排气系统的一端通过排气多支管与发动机相连，而另一端是通过挂钩与车体相连。

图5・2 表示排气系统与发动机与车体的连接示意图。

排气系统可以按照温度高低分成热端与冷端，如图5.2所示。

离发动机近的部分叫著热端，一般包括排气多支管.催化器等。

当气体离发动机越远，温度就越低。

冷端包括前置消音器、后置消音器、中间管道和尾管等。

一般情况下，柔性连接管是热端和冷端的分界点，但是也有例外，如有些结构的柔性管安装在Y型管上或者有的结构中没有柔性管。

图5.2排气系统与发动机与车体的连接图Y型管是针对V型发动机的。

对4四缸发动机來说，一般来说没有Y型管。

对丁•发动机是东-西方向放置的，一般都会有柔性管或者是球型连接器，因为发动机曲轴的转动方向与排气系统垂直，从而引起很大的弯曲与扭转振动。

而对于南-北方向放置的发动机來说，一般没有柔性管，因为发动机曲轴的转动方向与排气系统平行，只引起扭转振动而没有弯曲振动。

一般來说，弯曲振动通过挂钩传到车体上的力比扭转振动传递的力耍大些。

排气系统的类型有下面儿种：单入口单出口(图5.3(A)),单入口双出口(图5.3(B)),双入口单出口(图5.3(0),双入口双出口(图5. 3(D))和两个独立的排气系统(图5. 3(E))O单入口用在四缸发动机上，双入口用在V型发动机上。

单岀口和双出口在四缸发动机和V型发动机上都有应用。

独立系统是用在V 型发动机上。

2.排气系统的功能空气与燃油在发动机内燃烧后，废气要排入到大气中。

由於燃烧不彻底，这些废气中含有氮氧化合物、一氧化碳等有害物质。

这些有害物质必须经过处理后才能排放到大气中，否则就会造成空气污染。

论汽车排气系统动态响应特性及强度分析

论汽车排气系统动态响应特性及强度分析摘要：针对当前的汽车排气系统结构的特点，从提升汽车的NVH性能的角度出发，利用有限元分析的方式探讨了汽车排气系统模态及频率响应的相关工作，并最后验证了排气系统强度情况，希望对全面促进汽车排气系统的优化设计有所帮助。

关键词：汽车设计，排气系统，动态响应特性，强度分析在新时代的背景下，随着人们经济实力的逐步提升，大众对于汽车的要求越来越高。

为了保障汽车乘坐的舒适性，我们应充分重视如何优化汽车的排气系统，并应全方位加强关于其振动问题的研究工作。

对于正在运行状态的汽车来说，排气系统在相应的发动机的周期性动载荷的影响下，容易造成排气系统振动问题，造成整体的零部件及吊挂系统零部件的可靠性大大下降。

借助于排气系统橡胶吊挂软垫的情况，能进行相应的周期振动传递，会造成车身结构的噪声振动平顺性等受到不同程度的影响，这就应结合车辆的实际工况要求来分析并优化相应的排气系统振动特性。

1 排气系统有限元模型在进行汽车排系统模型构建的过程中，主要涉及到的关键性部件为管道、主消声器、后消声器、减振波纹管、连接法兰、橡胶吊耳等部件。

对于前端法兰盘来说，起到了实现连接发动机的作用，而中间法兰盘则是进行管道的连接，在挂钩的位置，能利用橡胶吊耳悬挂相应的车厢地板面情况。

这里结合某车型的排气系统进行三维模型的构建，并能结合相应的零部件质量部分，构建相应的有限元模型，并结合网格划分的情况来进行相应的简化。

对于减震波纹管来说，这里选择有限元中的零长度的弹簧单元情况，能将其相应的刚度值通过局部坐标系来进行赋值处理；对于动力总成来说，这里选择横置的方式，通过plot单元模拟动力总成轮廓，这里明确动力总成质心的要求，能满足于plot单元刚性连接的要求，能结合实际来落实具体的转动惯量和质心集中质量在动力总成中；针对连接法兰情况来说，这里选择rbe2模型来设置相应的两个法兰间；对于前后消声器来说，考虑到其具有较为复杂的内部结构，采用结构化网格方式处理具有一定的难度，这里主要选择前后消声器的外壳的合理化网格划分，并进行相应的技术处理；对于动力总成悬置及橡胶吊耳来说，主要是类似于波纹管的情况，落实相应的无阻尼的弹簧单元的情况来进行相关的模拟分析和思考。

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。

轿车排气系统模态试验及分析

方勇，孙红霞，鲁春艳
（州市职业大学机电工程系，江苏苏州２５０）苏１１４
摘
要：将试验模态分析技术应用于某轿车排气系统的动态分析，通过对排气系统的模态试验，
得到排气系统的模态频率和振型参数，对前６并阶模态振型的结果进行了分析，为进一步研究其振
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ｅｘｐｒｍｅｔｌｅｉｎａｍｏａａａｙｓｓｓｎｔｏｃｄｎａｐｉｄｏｈｅｄｌｎｌｉｉｉｒｄｕｅａｄｐｌｅｔｔｄｙｍｉａａｙｉｏｎａｃｎｌｓｓｆ
ｅｘｈａｓｙｔｍｆｐｓｅｇｒｃｒＴｈｎｌｉｂａｎｕｔｓｓｅｏａｓｎｅａ．ｅａａｙｓｓｏｔｉｓｍｏａｒｑｅｃｅｎｄｖｂｒｔｏｐｒｍｅｅｓｄｌｆｅｕｎｉｓａｉａｉｎａａｔｒ．
动、悬挂点的选择及结构的改进设计等问题提供了试验依据．
关键词：排气系统；模态试验；模态分析
中图分类号：Ｔ３文献标志码：ＡＱ２
文章编号：ｌ０ — ４５２ｌ）１００００８５７（００ —０４ — ４１
ｌｕｄａｉｆｆｔｒｅｅｒｈ０ｎｔｏｎ０ｒｕｒｈｅｒｓａｃ０／ｔｃｉｅｆｉａｉ／２ｈｅｈｏｃｏｖｂｒｔ０９ｎｄｕｓｎｓＤｓｔｓａｓｐｅｊｎＤｏａｗｅａｉｓｉｍｐｒｖｍｅｔｏｔｕｔｒｏｅｎｆｓｒｃｕｅ．

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。

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
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作过程对环境和乘员造成的影响文章对排气系统进行了
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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
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在划分网格之前由于建模时各个曲面之间没有
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某型汽车排气系统的振动响应分析及验证

2019 年 9 月第 48 卷第 9 期
机械设计与制造工程 Machine Design and Manufacturing Engineering
Sep． 2019 Vol． 48 No． 9
DOI： 10． 3969 / j． issn． 2095 － 509X． 2019． 09． 017
图 2 排气系统的有限元模型
添加模型材料属性（见表 1），加载符合实际情况的边界约束———在发动机及吊耳处施加刚性约束。
某型汽车排气系统的振动响应分析及验证
孙颖，娄玉印，周胜飞，张莹
（广西科技大学鹿山学院机械工程系，广西柳州 545616）
摘要：为了研究排气系统对汽车车身的振动响应规律，对其进行了振动响应分析。首先对排气系统进行约束模态分析，并通过路面试验获得了发动机振动的实际参数；然后利用模态叠加法对排气系统结构进行动力响应计算，得到了排气系统的振动响应规律，并以此判断该排气系统是否符合设计标准；最后将实测得到的加速度数据与仿真数据进行对比，验证了该仿真方法的可靠性。该分析方法可以作为同类型排气系统结构设计的依据。关键词：振动响应；排气系统；模态分析；谐响应分析；隔振率中图分类号： U464． 134 + 4 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 509X（ 2019） 09 － 0074 － 05
f
=
n 60
×2
（ 5）
式中： n 为发动机转速，r / min。发动机的转速范围为 600 ～ 6 000 r / min［2］，代
入式（ 5）求得排气系统各阶的激励频率，见表 2，部
分振型如图 3 所示。
表 2 排气系统约束模态各阶频率
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8

模态分析方法在汽车排气系统振动研究中的应用

图１所示。
４号管
声器
析方法来研究排气系统的振动特性。
首先根据排气系统的实物数据，利用ＣＡＴＩＡ
软件建立合理的简化几何模型，保存为ＡＮＳＹＳ能
够识别的格式并将其导人到该软件中，在经过合理的网格划分过程后生成排气系统的有限元模型；然
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５— ５０９Ｘ．２０１５．０４．０１２
模态分析方法在汽车排气系统振动研究中的应用
李长玉，王丽
５１０８００）（华南理工大学广州学院汽车工程学院，广东广州
传统的振动理论进行分析已很难得出准确的结果 … 。因此，本文引入了有限元分析中的模态分
接法兰等几何特征。ｃ．假设排气系统整体的壁厚都相等，以便于网
格的划分。
本文以某型汽车为例，建立其排气系统模型如
以防止共振现象的发生。参考文献：
分析排气系统自身的振动特性。
２排气系统模态分析
２．１模态分析理论
ｌ建立排气系统三维实体模型
排气装置一般由排气支管、排气管、波纹管、催化转换器、氧传感器、消声器、排气尾管和悬挂装置等组成。

汽车排气系统振动分析及优化

0引言汽车排气系统由预催化器总成、主催化器总成、前消声器总成、后消声器总成、橡胶吊块、密封垫等组成，排气系统按照温度从高到低分为热端和冷端，热端包括预催和主催等，冷端包括前消和后消等。

排气系统的作用为引导发动机废气顺畅的排出车外，降低排气污染物CO、THC、NOx、NMHC、PN、PM等的含量，降低发动机的振动与排气噪声。

排气系统的一端通过预催与发动机相连，另一端则通过橡胶吊块与车身（车架）相连，排气系统的振动传递，如图1所示。

动力总成的振动传递给排气系统，再通过排气吊钩及橡胶吊块传递给车身。

车身的振动再通过车身地板、转向方向盘、座椅等直接传给车内的乘客。

1排气系统的主要振动源汽车排气系统的振动源主要有四个：发动机的结构振动（发动机振动传递到排气管产生结构噪声）、气流冲击振动（发动机排气波动产生气流、脉动噪声）、声波激励的振动（辐射噪声，主要为消声器筒体和管路振动产生）和车身的振动，如图2所示。

2排气系统的振动分析汽车排气系统振动分析的三项主要任务：第一，模态分析：第一阶弯曲模态、第一阶扭转模态、模态密度、热端模态。

第二，动力响应分析：吊钩的力、橡胶吊块刚度、波纹管刚度。

第三，传递通道的灵敏度分析（与车身有关）。

振动噪声的控制方法有以下三个方面：第一，消除振动噪声产生的根源，改进发动机的平衡，减少相对运动件摩擦。

第二，切断振动噪声的传递路径，加入质量阻尼减振器共振腔消声器等。

改善振动特性，控制排气系统吊钩的布置位置，避免共振。

排气系统管路布置设计时，一般排气系统应尽量设计成一根直管，避免设计过多的弯管。

排气系统布置成一根直管，这样会产生少的振动模态，气流在排气管中好控制，流动通畅，功率损失小，背压小，并且存在重量轻，成本低的优势。

弯曲的排气系统布置，其振动模态多，不好控制，背压很高，系统的功率损失大，结构重量大，成本高。

影响排气系统模态的主要因素有：排气系统中管路的走向（笔直布置或弯曲布置）、波纹管的刚度、吊钩的数量和位置以及橡胶吊块的刚度等。

汽车排气系统振动特性分析研究

车辆工程技术80车辆技术0　引言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。

1　发动机对排气系统分析的影响模态分析的目标是识别出系统的模态参数，为系统振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力学特性优化设计提供依据。

首先分析发动机在排气系统的分析过程中所起的作用是否显著，因此进行了在有和没有发动机的条件下对排气系统自由模态和约束模态作用程度的探究分析，为以后的分析提供依据。

自由模态情况下，不考虑发动机模态频率比考虑发动机的同阶次的模态频率高，14阶差值达到23.939Hz；约束模态下，模态频率差值随着模态阶数的增加而增大。

从有无发动机的自由模态分析和约束模态分析可以看出，有限元模型不考虑发动机会提高排气系统整体的固有频率，并在约束模态分析中明显降低模态频率。

由此可得出，发动机对排气系统性能有着重要的影响，因此文中后续分析中都带有发动机，使结果更加准确。

2　汽车排气系统振动优化2.1　发动机不正常振动问题诊断分析发动机对于汽车的行驶起着非常重要的作用，而发动机又是汽车底盘的一个重要组成部分，当发动机出现问题的时候，大部分原因来源于发动机的不正常抖动。

这时候产生的振动可分为两类:一是内部振动;二是外部的振动。

根据日常经验来看，发动机产生不正常振动现象主要有以下原因：（1）引擎的旋转机件或者安装在机器回转轴上的轮状蓄能器，俗称“飞轮”，两者没有产生良好的契合效果，至少有一者不能够保持平衡的运行状态。

（2）发动机的引擎脚使用的时间较长，产生了损耗，致使发动机在运转的时候不够顺畅，平顺性大大下降，汽车就会产生不正常的抖动。

某乘用车排气系统振动性能分析及优化设计

摘要作为汽车的重要组成部分，排气系统主要起降噪减振、尾气净化的作用。

由于发动机振动通过排气系统传到车身直接影响整车乘坐舒适性与平稳性，因此排气系统的振动控制对提高整车的NVH性能有重要意义。

本文以某乘用车排气系统为研究对象，通过模态分析、动力学分析等确定排气系统振动存在的主要问题，包括与发动机产生共振和振动性能不满足企业要求；再通过多目标优化，使排气系统约束模态避开发动机激励频率，在满足疲劳耐久性的要求下，提高系统振动性能。

首先建立排气系统有限元模型并验证模型有效性。

基于吊耳的超弹性特性，建立其本构模型并计算动刚度，用弹簧阻尼单元进行模拟。

简化排气系统部分结构，建立有限元模型。

对比排气系统自由模态和约束模态的仿真结果和实验结果，频率误差均在工程限值内，且主要阶次振型趋势基本一致，验证了仿真模型的有效性。

其次评估排气系统疲劳耐久性与振动性能。

静力学分析结果表明，吊耳静变形和预载力分别小于5 mm和55 N，满足企业要求，说明吊耳疲劳耐久性较好；动力学分析结果表明，吊耳传递力超过10 N且均匀性较差，说明排气系统振动性能不满足企业标准，影响整车舒适性。

同时排气系统第6阶约束模态与发动机激励频率重叠，排气系统将与发动机发生耦合产生强烈共振，振动性能较差，因此有必要对排气系统振动性能进行优化设计。

最后采用多目标优化设计方法对排气系统振动性能进行优化设计。

灵敏度分析结果表明吊耳动刚度对排气系统模态、疲劳耐久性和隔振性能均有较大影响，因此通过改变5个吊耳的动刚度值，使排气系统约束模态避开发动机激励频率，在满足疲劳耐久性的要求下，提高排气系统的隔振性能。

优化结果显示，排气系统约束模态避开发动机激励频率1Hz以上，吊耳传递力及其标准差分别下降34.48%和45.6%，排气系统隔振性能有较大幅度的提高，验证了该优化方案的可行性。

关键词：排气系统；模态分析；振动分析；优化设计ABSTRACTAs an important part of the automobile, the exhaust system plays an important role in noise reduction and exhaust gas purification. The engine excitation is transfered to the car body through the exhaust system, directly affecting the comfort and stability of the vehicle. Therefore, the exhaust system vibration control is of great significance to improve the NVH performance of the vehicle.This paper regards a passenger car exhaust system as a study case. The main problems of the exhaust system is determined through the modal analysis and dynamic analysis, including resonance with the engine and poor vibration performance. By the multi-objective optimization, the constrained mode doesn’t overlap with the engine excitation frequency, and the vibration performance of the exhaust system is obviously improved.Firstly, the finite element model of exhaust system is established and the validity of the model is verified. In order to obtain its dynamic stiffness, the hyperelastic constitutive model of the lug is established. The finite element model is set up by simplifying part of the 3D model. The natural frequencies and mode shapes of exhaust system are identified using the experimental modal test, and are compared with the numerical modal result. The deviation between numerical modal and experiment modal analysis is within a reasonable range, thus the effectiveness of FE model is verified.Secondly, the fatigue durability and vibration performance of exhaust system is evaluated. The static analysis results show that the static deformation and preload of lugs are relatively less than 5 mm and 55 N, satisfying the requirements of the enterprise, which indicate that lugs have good fatigue durability. The dynamic analysis results show that the transmission force exceeds 10 N and its uniformity is poor, thus the vibration performance does not meet the enterprise standard, affecting the vehicle comfort. What’s worse, the exhaust system will resonate with the engine because the sixth-order constraint mode of the exhaust system overlaps with the engine excitation frequency. Therefore, it is necessary to optimize the vibration performance of exhaust system.Finally, the multi-objective optimization design method is used to optimize the vibration performance of the exhaust system. The sensitivity analysis illustrates that the lugs’ dynamic stiffness have a great impact on constraint mode, fatigue durability and vibration performance of the exhaust system. Therefore by changing the lugs’ dynamic stiffness, under the premise that the constrained mode doesn’t fall within the engine excitation frequency’s interval, the lugs’fatigue durability meets the requirements of the enterprise, the vibration performance of the exhaust system is improved by the a large extent. After optimization, the difference between the exhaust system mode and the engine excitation frequency is 1 Hz above, the transmission force and its standard deviation are respectively decreased by 34.48% and 45.6%, accordingly verifying the feasibility of the optimization scheme.Keywords: Exhaust System; Modal Analysis; Vibration Analysis; Optimization Design目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 排气系统振动控制研究现状 (1)1.2.1 排气系统振动控制国外研究现状 (1)1.2.2 排气系统振动控制国内研究现状 (4)1.3 本文研究方法和技术路线 (7)第二章排气系统振动性能研究基本理论 (9)2.1 排气系统简介 (9)2.1.1 排气系统基本组成 (9)2.1.2 排气系统振动源 (10)2.2 有限元分析方法 (11)2.3 模态分析基本理论 (12)2.3.1 数值模态分析 (12)2.3.2 试验模态分析 (13)2.4 频率响应分析理论 (16)2.5 挂钩位置优化理论 (19)2.6 本章小结 (20)第三章排气系统模态分析 (22)3.1 有限元前处理模型的建立 (22)3.1.1 排气管有限元模型 (22)3.1.2波纹管有限元模型 (23)3.1.3三元催化转化器有限元模型 (24)3.1.4 连接法兰有限元模型 (25)3.1.5 挂钩有限元模型 (25)3.1.6 消声器有限元模型 (26)3.2 橡胶吊耳有限元模型 (27)3.2.1 吊耳超弹性模型的建立 (27)3.2.2 吊耳静刚度仿真 (30)3.2.3 吊耳动刚度仿真 (31)3.3.4 吊耳有限元模型 (33)3.3 排气系统自由模态仿真与实验对比 (34)3.3.1 排气系统自由模态仿真 (34)3.3.2 排气系统自由模态试验 (34)3.3.3排气系统自由模态仿真与实验对比 (36)3.4 排气系统约束模态仿真与实验对比 (41)3.4.1 排气系统约束模态仿真 (41)3.4.2 排气系统约束模态试验 (41)3.4.3 排气系统约束模态仿真与实验对比 (42)3.5 本章小结 (47)第四章排气系统振动性能分析 (48)4.1排气系统静力学分析 (48)4.2 排气系统动力学分析 (49)4.3 排气系统隔振率分析 (50)4.3.1 排气系统挂钩动刚度分析 (50)4.3.2 排气系统吊耳隔振率分析 (52)4.4 排气系统运动干涉分析 (54)4.5本章小结 (56)第五章排气系统振动性能优化 (57)5.1 挂钩位置评估 (57)5.2 排气系统振动灵敏度分析 (58)5.2.1 灵敏度分析理论 (58)5.2.2 灵敏度分析的试验设计 (59)5.2.3 排气系统振动参数的灵敏度分析 (60)5.3 排气系统振动性能多目标优化 (64)5.3.1 多目标优化理论 (64)5.3.2 近似模型概述 (66)5.3.3 振动性能优化的试验设计 (67)5.3.4 振动性能优化的近似模型构建 (70)5.3.5 排气系统振动性能多目标优化 (73)5.3.6 多目标优化的Pareto最优解验证 (75)5.4排气系统优化方案分析验证 (77)5.4.1排气系统约束模态对比分析 (77)5.4.2 排气系统应力对比分析 (78)5.4.3 排气系统运动干涉对比分析 (79)5.4.4 吊耳隔振率对比分析 (80)5.5 本章小结 (82)全文总结与展望 (83)研究工作总结 (83)研究工作展望 (83)参考文献 (85)攻读硕士学位期间取得的研究成果 (91)致谢 (92)第一章结论第一章绪论1.1 研究背景及意义汽车是把双刃剑，在便利人们生活的同时，也带来了很多隐患。

[讲解]排气系统的振动分析

第六章排气系统的振动分析排气系统一端与发动机相连，另一端则通过挂钩与车体相连。

发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。

车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会幅射出去，在车内产生噪声。

所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的最重要的目标之一。

排气系统的振动分析涉及到三个方面：模态分析，动力分析和传递渠道的灵敏度分析。

排气系统的结构非常复杂，几乎不可能用经典的力学分析来了解其振动特性，在工业界，有限元方法已经得到了广泛应用。

第一节排气系统的振动源排气系统的振动源主要有四个：发动机的机械振动，发动机的气流冲击，声波激励和车体的振动，如图6.1所示。

第一，发动机机械振动。

排气系统直接与发动机相连接，因此发动机的振动也就直接传递给排气系统。

第二，气流冲击。

高速气流经过汽缸排出，直接冲击排气多支管，从而引起排气系统振动，特别是对于转弯较急的部分。

当气流进入到排气系统后，气流在管道内产生紊流，从而引起排气管道的振动。

第三是声波激励的振动。

声波在管道中运动时，会对管道和消音元件等结构产生冲击，因此而引起振动。

排气系统是通过挂钩与车体相连，因此这些振动会通过挂钩传递到车体。

排气系统的第四个振动源是车体的振动。

这个振动传递方向与前面三种相反，车体振动也会通过挂钩传递到排气系统。

这种传递会逆向传递到发动机，从而加大了发动机的振动。

图6.1 排气系统的振动源第二节排气系统的振动模态分析模态分析是排气系统动力计算的关键。

我们知道排气系统与发动机和车体相连，因此排气系统的模态必须与发动机的激振频率和车体的模态分开，否则系统耦合在一起会产生强烈的共振。

通过排气系统的模态分析还可以知道系统的节点和反节点，从而可以更有效地布置挂钩的位置。

通常，挂钩是放在节点的位置，这样传递力会最小。

在排气系统模态分析时，通常要对下面几个指标设定目标：第一阶垂向弯曲模态第一阶横向弯曲模态第一阶横向扭转模态模态密度第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态是排气系统中最容易被发动机激励起的模态，同时这两个模态的振动也最容易传递到车体并与车体发生共振。

汽车排气系统振动疲劳特性分析

汽车排气系统振动疲劳特性分析发布时间：2023-03-07T01:19:01.281Z 来源：《中国科技信息》2022年19期10月作者：窦海燕[导读] 排气系统是汽车整体的重要组成，由于不同因素的干扰导致排气系统管壁会出现不同程度的振动疲劳窦海燕安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230601摘要：排气系统是汽车整体的重要组成，由于不同因素的干扰导致排气系统管壁会出现不同程度的振动疲劳，因此，需要对汽车排气系统振动疲劳特性展开分析。

明确排气系统的基本特征，综合汽车的不同零部件，构建集成系统，同时要考虑到路面激励具有随机性，保证不同惯性力矩的平衡。

根据排气系统动态响应，完成总应力的集中性影响，考虑到振动特性等因素，获取疲劳参数，分析振动与疲劳特性之间的关系。

关键词：汽车；排气系统；振动疲劳特性排气系统在不同因素共同作用的影响下很容易产生裂纹。

排气系统运行过程中受到的较大振动，导致损伤不断叠加，最终排气系统疲劳程度加重一直到失效，而行车环境、舒适度等也会产生恶劣的变化，因此，需要进一步的分析汽车排气系统振动疲劳特性，这样既能够保障排气系统的使用寿命与质量，同时还能够获取更大的经济效益。

1考虑整车影响的排气系统力学模型排气系统与其他结构部分之间的关系具有相互影响相互促进的作用，因此，构建排气系统力学模型对于研究排气系统振动疲劳特性能够起到关键的效果。

通过排气系统力学模型考虑到整车的影响，能够更好地分解与简化排气系统。

排气系统在力学模型构建当中需要进行适当性简化，这样更加方便建模，同时要明确发动机的安全性，由于其铸造当中涉及到的材料等较多，需要一低阶模态的形式完成发动机机体的建设，并且还能够避免受到激励频率的影响。

悬置系统通常使用橡胶材质，模态频率与其他部位相比频率较低，而发动机悬置系统在模态频率的呈现上要明显的低于机体，这时候就能够将发动机机体进行适当的简化，成为刚体。

而由于轮胎能够保障汽车更为平稳的运行，增强乘车的舒适度，因此，轮胎就能够简化成为弹性元件。