基于发动机激励的排气系统振动强度分析及优化.docxVIP

基于发动机激励的排气系统振动强度分析及优化

摘要：针对排气系统开发过程中振动强度的设计，采用发动机加速度激励作为振动源对某排气系统进行频率响应分析，得到薄弱零件各个频率下的振动应力曲线，结合零件材料性能对最大应力进行评价，根据评价结果对方案进行优化分析，对比优化前后的振动强度，确定了最终优化方案，为排气系统的研发设计提供了一定的参考价值。

关键词：排气系统发动机激励振动强度振动应力

汽车排气系统是车辆的重要系统之一，作为发动机的重要附件，主要负责将发动机产生的废气排出，同时净化发动机废气，降低发动机噪声[1]。随着大家对环境保护的重视，排气系统的废气净化和噪声降低等性能受到各大主机厂和排气系统厂商的重视，但其结构强度及疲劳耐久性能却没有给予足够重视，导致在开发过程中出现路试断裂情况，因此延误了开发周期，所以有必要加强这方面的研究，找到合适的方法在前期开发阶段对排气系统的强度和疲劳耐久性能进行预测和优化，并形成系统的分析方法，为排气系统研发设计提供参考标准[2]。

2排气系统振动强度分析

2.1振动分析理论

频率响应分析主要用于计算结构在周期振动载荷作用下对每一个计算频率的动态响应。计算结果包含实部和虚部，实部表示动态响应的幅度，虚部表示动态响应的相位角。频率响应分析主要有直接频率响应分析和模态频率响应分析两种方式，其中直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对应外载荷的动态响应[3]。模态频率响应是在模态空间中，结构矩阵用忽略阻尼的实特征值进行压缩，然后用模态坐标建立广义刚度和质量矩阵，将模态进行线性叠加得到频率响应函数。模态频率响应的计算速度要比直接频率响应的计算速度更快。本文根据项

表4所示。

目开发进度要求和计算资源实际情况，选择模态频率响应分析进行计算，这也是汽车行业主流的分析方法。

2.2排气系统振动源确定

汽车排气系统一端连接到发动机，另一端通过吊耳与车身相连。发动机的振动传递给排气系统，引起排气系统的振动，是排气系统主要的振动源，因此在进行排气系统振动强度分析的时候应该主要考虑发动机激励作为激励源[4]。具体的激励加载方式一般是在动力总成质心处施加加速度激励进行分析，加速度的大小应该在实际路试过程中进行采集，本文根据企业经验在动力总成质心位置施加整车坐标系Z方向1.5G的加速度作为振动激励源。

3初始方案排气系统振动强度分析

3.1排气系统有限元模型

排气系统的结构非常复杂，组成的零件不仅数量多且种类多，很难用经典力学分析解决其振动问题，在结构分析中，有限元方法能有效的解决问题[5]。本文针对排气系统结构中吊耳和螺栓连接多且自由度复杂的特点，结合排气系统的结构设计，根据排气系统各个零件的特点，对其进行简化。法兰用实体单元模拟，管路和消声器筒体抽取中面用壳单元进行模拟，挂钩用实体单元模拟，波纹管、吊耳、动力总成悬置使用弹性单元进行模拟，动力总成用质量单元进行模拟，焊缝用实体单元进行模拟，螺栓用刚性单元进行模拟。结合排气系统的尺寸，选择单元的基本尺寸为5mm,最终在HyperMesh软件中完成了某车型排气系统有限元网格划分及模型建立，得到的排气系统有限元模型如图1所示：

动力总成质心位置是振动源的加载位置，动力总成的质量单元也在此处，需要赋予质量单元质量属性和转动惯量，动力总成参数如表1所示。

由于是进行频率响应分析，排气系统中的弹性零件刚度均使用动刚度，动力总成悬置动刚度参数如表2所示，波纹管动刚度参数如表3所示，吊耳动刚度参数如

3.2振动强度分析边界条件及评判条件

根据排气系统与整车的装配关系，约束动力总成悬置、吊耳车身侧6个方向自由度，在动力总成质心位置施加整车坐标系Z方向1.5G的加速度，根据发动机的转速范围，计算20—200Hz之间的振动响应。

该排气系统管路和筒体均为SUH409材料，挂钩为空心挂钩，直径为φ12mm,厚度为1.5mm,材料为SUS304,根据材料标准，SUS304的屈服强度为205MPa,根据企业标准取振动强度标准为90MPa,即在发动机振动载荷作用下，挂钩在各个频率下的最大应力应小于90MPa。

3.3振动强度分析结果

频率响应分析完成后，得到排气系统在20—200Hz之间的振动应力分布，其中最大应力出现在主消声器挂钩上，如图2和图3所示，最大应力为106.7MPa,大

于90MPa,不满足要求。把该处的振动应力全部提取得到振动应力曲线如图4所示，从曲线上可以看出振动应力较大的频率区间为20—80Hz,频率较低。

4排气系统优化方案及振动强度分析

4.1排气系统挂钩优化方案

原方案主消声器挂钩处振动应力不满足要求，需要对该挂钩