某排气系统频率响应强度与模态分析

10.16638/ki.1671-7988.2018.21.016

某排气系统频率响应强度与模态分析

邱星1,2,3，贾慧芳1,2,3

（1.江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心，江西南昌30052；2. 江西省乘用车结构设计工程研究中心，江西南昌30052；3. 江西省汽车噪声与振动重点实验室，江西南昌30052）

摘要：采用频率响应方法对某排气系统进行强度分析，获取各个部件的应力分布情况，其分析结果表明其最大应力为34.8MPa，满足强度要求。基于模态分析理论对该排气系统进行约束模态分析，得到了其横向摆动模态阵型、垂向摆动模态阵型、一阶垂向弯曲模态阵型和一阶横向弯曲模态阵型，其模态频率也处于发动机激励频率范围之外，满足模态要求。

关键词：排气系统；频率响应；强度；模态

中图分类号：U464.134.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)21-45-03

Frequency Response Strength and Modal Analysis of Exhaust System

Qiu Xing1,2,3, Jia Huifang1,2,3

( 1. Product Development & Technology Center, Jiangling Motors Corporation Limited, Jiangxi Nanchang 330052;

2.Passenger car structure design Engineering Research Center of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330052;

3.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330052 )

Abstract:The exhaust system was strength analysised by adopting frequency response method, the stress distribution of each component were obtained, the analysis results showed that the maximum stress was 34.8MPa. it could meet the strength requirements. The exhaust system was constrained modal analysis based on modal analysis theory, the lateral swing mode formation, vertical swing mode formation, first order vertical bending mode formation and first order transverse bending mode formation were obtained, and their modal frequencies were out of the engine idle frequency, so it could meet the modal requirements.

Keywords: exhaust system; frequency response; strength; modal

CLC NO.: U464.134.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)21-45-03

引言

排气系统与发动机连接，同时通过吊耳与车身连接，其振动是影响整车NVH性能的主要因素，发动机的振动和路面的随机振动传递给排气系统，使车体产生振动和噪声因此会影响整车的舒适度以及排气系统附属部件的疲劳强度。排气系统包含了非常复杂的弹性元件和刚性连接，属于多自由度复杂系统模型，往常的理论方法难以对其进行准确分析，因此需要采用更科学的建模方法和分析技术对排气系统进行分析。现采用有限元分析理论以及频率响应分析方法对某排气系统进行强度分析，获取其各个关键位置的应力分布，预防其发生疲劳风险，同时对其进行约束模态分析，获取其各阶的模态频率。

作者简介：邱星（1982.04-），男（汉族），湖南衡阳人，中级工程

师，硕士，江铃汽车股份有限公司，主要从事结构强度耐久分析工

作。

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汽车实用技术

46 1 有限元分析理论

排气系统在外力作用下会产生变形[1-3]，在其内部则产生应力和应变，其内部任意一点的位移可描述为沿直角坐标系方向的位移分量u 、v 、w ，其矩阵形式为：

（1）

即为位移矩阵。

排气系统内部任意一点的应力状态则可表示为σx 、σy 、σz 、τxy 、τyz 、τzx ，其中前三项为正应力，后三项为切应力，其矩阵形式为：

（2）

即为应力矩阵。

2 排气系统强度分析

2.1 建立有限元模型

排气系统主要由悬置前端支架、排气弯管、排气前管、波纹管、悬置后端支架、第一二吊挂、催化器总成、第三四吊挂、消声器和排气尾管构成。采用Hypermesh 软件对该排气系统进行前处理，其中包括清理几何、抽取中面，网格单元尺寸为5mm ，螺栓连接采用RBE2单元模拟，焊缝连接采用CWELD 单元模拟，建立排气系统有限元分析模型如图1所示。排气系统的前后管的材料为不锈钢441，其屈服强度为250MPa ，吊挂支架为Q235，其屈服强度为235MPa ，。STEEL 的弹性模量为206800MPa ，泊松比为0.3，密度为7.85E-9T/mm 3。吊耳的弹性模量为5MPa ，泊松比为0.47，密度为1.2E-9T/mm 3。陶瓷载体的弹性模量为20594MPa ，泊松比为0.24，密度为3.0E-10T/mm 3。

图1 排气系统有限元分析模型

2.2 强度分析结果

约束各个支架和吊挂的自由度，动力总成质量为383Kg ，加载方向为Z 向，激励力为196N ，分析频率为0~100Hz ，以此对其进行频响分析。如图2和图3所示为排气系统的应力分布云图，由图2和图3可知，其整体最大应力为34.8MPa ，位于第二吊挂处。图示1处的最大应力为21.8MPa ，图示2

处的最大应力为29.3MPa ，图示3处的最大应力为12.7MPa ，图示4处的最大应力为16.9MPa 。如图4所示为排气系统应力-频率曲线图，由图4可知，其在频率8.5Hz 时的应力为最大，34.8MPa 。其最大应力均小于材料屈服，满足疲劳强度要求，能够有效降低开裂风险。

图2 排气应力分布云图

图3 各个位置的应力分布云图

图4 排气系统应力-频率曲线图 3 排气系统模态分析

3.1 模态分析理论

通过模态分析可以确定该驱动桥壳的振动特性，包含其固有频率和振型。排气系统的运动微分方程为[4-5]：

（3）

式（3）中，[M]为排气系统的总质量矩阵；[K]为排气系统的总刚度矩阵；为加速度向量；{q }为位移向量。

3.2 模态分析结果

约束动力总成、排气系统与车身相连处123456自由度，基于Nastran 软件[6]对该排气系统进行约束模态分析，图5~图8分别为排气系统的横向摆动模态阵型、垂向摆动模态阵

型、一阶垂向弯曲模态阵型和一阶横向弯曲模态阵型，其模

态频率分别为19.7Hz 、34.9Hz 、43.3Hz 和51.8Hz ，能够避开发动机怠速激励频率范围0~25.0Hz ，满足模态设计要求。在吊耳分布位置，系统各阶模态均未出现较大变形，其符合要求。