李小康 趙玉才

摘 要：在汽車排放標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)六取代國(guó)五的過程中，針對(duì)某款車型在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向模態(tài)問題進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化。利用Hyperworks和Nastran對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，找出軸向共振模態(tài)下的位移量和動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大的位置，再對(duì)該位置的結(jié)構(gòu)從幾個(gè)維度進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，通過模型仿真找出最合適的優(yōu)化方案，使排氣系統(tǒng)在約束模態(tài)頻率下該位置的動(dòng)態(tài)應(yīng)力最小，從而解決該軸向模態(tài)問題，同時(shí)也為排氣系統(tǒng)在汽車國(guó)六排放的設(shè)計(jì)開發(fā)中遇到的軸向模態(tài)問題提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);模態(tài)分析;軸向模態(tài);中消聲包

中圖分類號(hào)：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-77-03

Abstract： In the process of the national five emission standards replacing the national five emission standards， the exhaust system axial mode problem happened during the design development of a certain vehicle， it is studied and optimized in this article. HyperWorks and NASTRAN are used to simulate and analyze the exhaust system. Finding out the position with the largest displacement and dynamic stress under the axial resonance mode. Considering several factors， the structure of this position changed to find out the most appropriate optimization scheme through the model simulation. The optimization scheme minimize the dynamic stress of this position under the exhaust system constraint mode frequency， thus， the axial mode problem can be solved. At the same time， it also provides a solution for the axial mode problems encountered in the design development of exhaust system in the national five emission standards.

Keywords： Exhaust system; Modal analysis; Axial mode; Middle muffler

CLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-77-03

1 概述

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，我國(guó)汽車工業(yè)水平也得到了全面提升，與此同時(shí)，國(guó)家對(duì)汽車行業(yè)釋放的標(biāo)準(zhǔn)也越發(fā)嚴(yán)苛。排放要求上，從2019年開始全國(guó)逐步實(shí)行國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，從而降低汽車污染排放保護(hù)環(huán)境。行駛噪聲上，最新國(guó)標(biāo)規(guī)定滿載不超過2500kg的乘用車加速行駛車外噪聲不超過71dB，從而降低城市噪聲污染，提升人們的居住環(huán)境品質(zhì)。

在汽車行駛的過程中，排氣系統(tǒng)對(duì)凈化廢氣和吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的激勵(lì)噪聲具有重要的作用。排氣系統(tǒng)前管通過法蘭和發(fā)動(dòng)機(jī)相連，排氣管體上的吊耳支架或者吊鉤與車身通過橡膠吊耳連接，吊耳配合排氣管前端的柔性節(jié)緩沖來自發(fā)動(dòng)機(jī)和路面各個(gè)方向的振動(dòng)激勵(lì)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中汽缸產(chǎn)生爆炸聲和排氣氣流聲由焊接在排氣管上的消聲包進(jìn)行過濾消聲。排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在排放標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)五轉(zhuǎn)國(guó)六后，部分車型的排氣系統(tǒng)會(huì)在前排總成焊接UFC（under floor converter）來凈化廢氣以滿足排放要求。汽車行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)會(huì)通過法蘭連接傳遞至排氣管，具有一定重量的UFC會(huì)在該振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生一定頻率的軸向運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)中消聲包前端的焊接端蓋產(chǎn)生軸向沖擊，在一定程度上對(duì)消聲包的耐久性能產(chǎn)生失效風(fēng)險(xiǎn)。

本文以某款車為例，針對(duì)該款車在國(guó)五轉(zhuǎn)國(guó)六的設(shè)計(jì)開發(fā)中遇到的該軸向沖擊耐久失效問題，通過建立有限元分析（FEA）模型來仿真排氣系統(tǒng)的振動(dòng)位移和關(guān)鍵位置動(dòng)態(tài)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來避免軸向失效風(fēng)險(xiǎn)，從而滿足汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)和客戶使用要求。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 FEA模型建立

本文采用Hyperworks和Nastran對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行建模和發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)仿真分析，如圖2所示。排氣管的模型中采用殼單元模擬焊接，采用rbe單元模擬吊耳支架中與法蘭之間的螺栓連接，采用CBUSH單元模擬柔性節(jié)，采用殼單元模擬消聲包。對(duì)動(dòng)力總成而言，在質(zhì)心位置采用質(zhì)量單元模擬，并將模型所需的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)設(shè)置在質(zhì)量單元中。

邊界約束條件：

（1）模型狀態(tài)與整車裝車狀態(tài)保持一致;

（2）動(dòng)力總成懸置車身側(cè)和吊耳車身側(cè)在各個(gè)自由度被固定。

2.2 FEA模型驗(yàn)證

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍一般在0-6000rpm，因此一般對(duì)四缸機(jī)而言，只需在0-200Hz范圍內(nèi)進(jìn)行模態(tài)分析即可，利用上述包含動(dòng)力總成的排氣系統(tǒng)模型計(jì)算所得的約束模態(tài)頻率如表1。