基于和的排气系统模态分析

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用增强应变公式方法 ，计算量大但精度高 。
动机排气激励进行分析 ，不考虑路面激励 。
图 １ 排气系统的有限元模型
２ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 与 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的连接 ２ ．１ 模型输出
在 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中把处理好的模型输出 ，输出模型 为 ．ｃｄｂ 格式 ，打开 Ａ ＮＳＹＳ 的经典界面 ，通过 Ｆｉｌｅ ＞ Ｒｅａｄ Ｉｎｐｕｔ ｆｒｏｍ 以 读 入 该 文 件 ，输 入 模 型 。 再 在 ＡＮＳＹＳ 的经典界面中 ，使用文档模型的导出功能写 出该文件 。 ２ ．２ 模型导入
表 １ 排气系统前 ８ 阶固有频率值
模态阶数
固有频率值 （Ｈｚ ）
１
３０ ．０８３
２
５６ ．６３３
３
７５ ．７４
４
９７ ．２４２
５
１０４ ．６８
６
１１４ ．８
７
１２７ ．４７
８
１４１ ．１３
排气系统的若干阶固有振型如图 ３ ～ 图 ６ 所示 。 在汽车行驶过程中 ，排气系统受到道路不平 、发动
朱 峰 ， 李书晓
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院 ， 安徽 合肥 ２３０００９ ）
摘要 ： 通过 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 对给定汽车排气系统模型进行前处理 ， 再导入到软件 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中进行分析 ， 从而 结合两个软件各自的优点 ， 完成了排气系统模型的模态分析 ， 得到了排气系统的前若干阶固有频率及其振 型 ， 为提高排气系统的工作可靠性提供了科学依据 ， 为排气系统的动力学分析提供数据 。 关键词 ： Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ； Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ； 汽车排气系统 ； 有限元模型 ； 模态分析 中图分类号 ： Ｕ４６４畅 １３４ ＋ 畅 ４ ∶ Ｔ Ｐ３９１畅 ７ 文献标识码 ： Ａ
动机上 ，发动机怠速为 ８００ ｒ ／ｍｉｎ ，可得发动机怠速排
气激励频率 ｆ１ ＝ ２６ ．６７ Ｈｚ ，显然 ，怠速对应的激励频 率与计算的一阶固有频率在数值上有较大差值 ，因此 ，
可避免共振的发生 。 可见 ，用有限元分析方法得到的
计算模态对排气系统的振动特性分析具有指导意义 ，
将其与试验模态结合 ，可以很好地完成排气系统的振
机运转等因素引起的多种激振影响 。 本文主要针对发
图 ６ ６ 阶固有振型
发动机的激励频率可由下式得到 ：
ｆ＝
ｉ× ｎ ６０ τ
．
（１ ）
其中 ：ｉ 为发动机气缸数 ；ｎ 为发动机转速 ，ｒ ／ｍｉｎ ；τ 为 发动机冲程数 ，对于四冲程 τ＝ ２ 。
由式（１）可知 ，若此排气系统搭载在四缸四冲程发
在 Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍ ｏｄｅｌｅｒ 模块中生成三维几何 模型 ，并与 Ｍ ｏｄａｌ 连接［６］ ，模块耦合过程如图 ２ 所示 。
图 ３ １ 阶固有振型 图 ４ ２ 阶固有振型 图 ５ ３ 阶固有振型
图 ２ 联合仿真模块耦合过程
３ 排气系统的模态分析 排气系统的模态分析主要在 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中进行 ，
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａ ｕｔｏｍｏ ｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｈｅｆｅｉ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ｉｓ ａ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｍｅｓｈ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ， ａｎｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｈａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ‐ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ．Ａ ｇｉｖｅｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ， ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｔｏ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｔｏ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ．Ｔ ｈｕｓ ，ｗｅ ｃａｎ ｕｓｅ ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈｅ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｉｇｈｔ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ．Ｔ ｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ：Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ；Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ；ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
对排气系统模型进行体网格划分 。 设定单元网格 尺寸为 ５ ｍｍ 。 为了保证建模的准确性 ，可以对某些 局部网格进行细化 ，最终建立的排气系统的有限元模 型如图 １ 所示 。 １ ．３ 材料属性与单元类型的定义
在 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中对划分后的网格进行材料属性 及单元类型的定义 。 该排气系统的材料为钢材 ，壁厚 为 ２ ．０ ｍｍ ，其密度为 ７ ５４０ ｋｇ ／ｍ３ ，泊松比为 ０ ．３０ ，弹 性模量为 ２ ．０１ × １０５ Ｍ Ｐａ 。 单元类型为 Ｓｏｌｉｄ１８５ ，采
打 开 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 界 面 ，在 Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ 中 拖 入 Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍ ｏｄｅｌｅｒ 模块 ，并通过 Ａｄｄ Ｉｎｐｕｔ ｍｅｓｈ 输入 在 经 典 界 面 写 出 的 ．ｃｄｂ 格 式 文 件 。 此 时 ，在 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 里划分的网格便导入到了 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中 。 ２ ．３ 模块耦合
汽车排气系统的振动是影响汽车振动噪声和舒适 度的主要因素之一 ，掌握其动态特性对优化汽车的 Ｎ Ｖ Ｈ 性能十分重要［１］ 。
模态是机械结构的固有振动特性 ，每一个模态具 有特定的固有频率 、阻尼比和模态振型 。 模态分析是 以振动理论为基础 ，以模态参数为目标的分析方法 。 因为模态参数较物理参数更能从整体上反映系统的动 态固有特性 ，而且参数较少 ，所以识别模态参数是系统 识别的基本要求 ，也是进行物理参数识别的基础 。 模 态分析的主要任务就是进行模态参数的识别［２］ ，同时 ， 它也是瞬态分析 、谐响应分析和谱分析的起点 。 模态 分析分为理论模态分析和试验模态分析［３］ ，它是承受 动态载荷的结构设计中的重要部分 ，也是进行其他动 力学分析的基础［４］ 。
工业大学 ，２０１２ ：１９‐２５ ．
［３］ 傅志方 ，华宏星 ．模态分析理论与应用［Ｍ ］ ．上海 ：上海交 通大学出版社 ，２０００ ．
［４］ 艾纳基 ．汽车消声系统振动与模态分析［Ｄ］ ．武汉 ：华中科 技大学 ，２０１１ ：６３‐７８ ．
［５］ 李金龙 ．汽车排气系统结构强度与焊接疲劳分析 ［Ｄ ］ ．武 汉 ：武汉理工大学 ，２０１１ ：３８‐４０ ．
［６］ 许京荆 ．ＡＮＳＹＳ１３ ．０ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 数值模拟技术 ［Ｍ ］ ．北 京 ：中国水利水电出版社 ，２０１２ ．
Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ａｎｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ
ＺＨＵ Ｆｅｎｇ ，ＬＩ Ｓｈｕ‐ｘｉａｏ
汽Байду номын сангаас的排气系统一般包含以下几个主要部分 ：主 消声器 、副消声器 、三元催化器 、波纹管 、吊钩及各部分 间的连接管 。 本文中的排气系统是由消声器 、三元催 化器 、波纹管 、连接管 、吊钩 、法兰和尾管组成的 。 １ ．１ 几何清理与简化
在 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中对给定的排气系统模型进行几 何清理 ，即在不影响求解精度的前提下 ，对几何模型进 行一定的简化 ，以提高运算效率 。 本文分析中主要是 去除排气系统模型中的一些圆角 、倒角以及小孔 。 １ ．２ 网格划分
动性能分析 。
４ 结语 （１） 本文在 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中对给定汽车排气系统
模型进行几何清理 、模型简化 、网格划分 、材料属性和
单元类型的定义 ，再将其导入到软件 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中进
行分析 ，从而结合两个软件各自的优点 ，完成了排气系
统的模态分析 ，同时得到了该排气系统的各阶固有频
率及振型 ，为提高排气系统的工作可靠性提供了依据 ，
（上接第 ６１ 页） ４ 结论
由图 ３ 可知主轴振型均为轴尾部弯曲 ，图 ３ （ｄ）中 主轴振型为中部扭转以及尾部弯曲 ，对照表 ２ 数据可 知扭转加弯曲的振型比仅仅只弯曲的振型的最大偏振 量要大 。 由图 ４ 可知 ，随着阶数的增加 ，主轴最大偏振 量会有增加的趋势 ；并且伴随主轴跨距长度的增加 ，其 各阶最大偏振量也会随之增加 。 由此可知 ：设计主轴 跨距时 ，在满足工作要求的情况下 ，应尽量减小 。 由表 ３ 可知随主轴跨距长度的增加 ，其各阶主轴固有频率 会随之减小 。 主轴材料的弹性模量的变化对主轴的最 大偏振量没有影响 ，但对主轴的固有频率会产生影响 ， 主轴的固有频率随着弹性模量的增加而增加 。
模态分析是汽车排气系统动力学分析中十分重要 的一项 ，若排气系统的固有频率与外界激励频率接近 时 ，结构将产生强烈的振动 ，从而产生很高的动应力 ，
导致排气系统产生较大变形 ，甚至可能出现疲劳断裂 。 为避免排气系统在汽车行驶过程中发生共振 ，进而确 保其结构的安全可靠性 ，有必要了解排气系统的固有 频率及其相应的振型 ；同时由于排气系统结构的振动 特性与其模态参数直接相关 ，因此有必要对排气系统 进行模态分析［５］ 。 本文即采用 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 对汽车排 气系统进行网格划分 ，再导入到 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中进行模 态分析 。 １ 有限元模型的建立
第 １ 期（总第 １８２ 期） ２０１４ 年 ０２ 月
机械工程与自动化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ Ａ Ｕ ＴＯＭ Ａ Ｔ ＩＯＮ
文章编号 ：１６７２‐６４１３（２０１４）０１‐００６２‐０３
Ｎｏ ．１ Ｆｅｂ ．
基于 Ｈ ｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｗ ｏｒｋｂｅｎｃｈ 的排气系统模态分析
０ 引言 在有限元分析领域 ，Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 具有很强的划分
网格能力 ，可以对划分的有限元网格进行控制和优化 。 ＡＮＳＹＳ 的新界面 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 虽然也具有网格划分 功能 ，但其对划分网格的控制能力不强 。 在 ＣＡＥ 分 析中 ，网格划分的好坏对最终的结果尤为重要 ，质量较 差的网格会使结果产生较大的误差 ，而且对于复杂的 模 型 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 划 分 网 格 的 速 度 较 慢 ，然 而 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 却是性能卓越的多物理场耦合分析软件 。 若通过 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 进行联合仿真 ，不 仅能提高计算速度 ，而且可以提高计算精度 。
也为后期排气系统的动力学分析提供了数据 。
（２ ） 对 于 复 杂 模 型 的 理 论 模 态 分 析 ，通 过
Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的联合仿真 ，不仅能提高计算
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１４ 年第 １ 期
速度 ，而且可以提高精度 。 本文给出了用 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 对排气系统模型进行模态分析的详细 步骤 ，为同类系统的有限元分析提供了参考 。
参考文献 ： ［１］ 蒋启成 ．汽车排气系统的模态实验分析 ［Ｊ］ ．机械设计与
制造 ，２００９（１） ：１４４‐１４５ ． ［２］ 鲍恩涛 ．某汽车排气系统的动态特性研究［Ｄ］ ．合肥 ：合肥
收稿日期 ： ２０１３‐０５‐１６ ； 修回日期 ： ２０１３‐０６‐１０ 作者简介 ： 朱峰 （１９８８‐） ， 男 ， 安徽宿州人 ， 在读硕士研究生 ， 研究方向 ： 机械系统动力学与低噪声设计 、 ＣＡ Ｅ 以及汽车 Ｎ Ｖ Ｈ 。
２０１４ 年第 １ 期 朱峰 ，等 ：基于 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的排气系统模态分析
模态分析的约束条件如下 ：将发动机视为刚体 ，在发动 机排气口的连接法兰处 ，施加固定约束 ；在各个吊钩
处 ，模拟橡胶吊耳的特性 ，将这些面模拟 为弹簧 ，在 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中施加弹性约束 。
发动机的激励频率一般在 ０ Ｈｚ ～ ２００ Ｈｚ 之间 ， 本次模态分析只提取了排气系统的前 ８ 阶固有频率 ， 如表 １ 所示 。