基于有限元的汽车排气系统模态分析

第20卷第1期 2009年3月

苏州市职业大学学报 Journal of Suzhou Vocational University

Vol.20,No.1 Mar., 2009

基于有限元的汽车排气系统模态分析方(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海

勇1,2,张建武1200240;2.苏州市职业大学机电工程系，江苏苏州 215104)

摘要：排气系统的振动必然带来汽车整车的振动和噪声,影响汽车的整车性能,特别是轿车的乘坐舒适性.利用HyperWorks建立排气系统的有限元模型,完成了该系统的模态分析.分析结果可为结构设计提供依据.

关键词：排气系统；有限元法；模态分析中图分类号： TG386.4文献标志码： A文章编号：1008-5475(2009)01-0024-03

The Modal Analysis of Vehicle Exhaust System Based on Finite Element MethodFANG Yong1,2, ZHANG Jian-wu1(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2.Department of Mechan-electronic Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

Abstract: The vibration energy of the exhaust system causes the vibration of the vehicle andstructural noise, which harms the performance of the vehicle, especially in the riding comfort of a passenger car. In this paper, the finite element models of the exhaust system were built using HyperWorks, and the free vibration modal parameter calculations were performed with the FEA model. The results can provide an important reference to the structure design of the vehicle exhaust system.

Key words: exhaust system; finite element method; modal analysis

汽车排气系统一般通过法兰和吊耳与发动机排气歧管及车身底板相连接.在汽车使用过程中,排气系统由于受到发动机振动和排气激励的影响,会产生较大的振动,而振动能量通过橡胶吊耳和挂钩传递给车身底板,引起车身振动并产生车内噪声.因此如何降低排气系统传递给车身底板的振动能量,以减少车身的振动及噪声水平,是排气系统设计时需要重点关注的方面.目前,国内外一般通过数值模型和试验模态分析来优化排气系统的结构及选定排气系统挂钩吊耳的最佳悬挂位置.由于模型结构的复杂性,在采用数值方法分析时,建立准确的数值分析模型还有一定的难度.当前,主要采用简化的数值分析模型来进行排气系统的模态分析,以了解汽车排气系统的振动特性.

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排气系统的有限元模型汽车排气系统模型一般由以下几部分组成:三元催化转换器,主、辅消声器,连接法兰和各部件之间

收稿日期：2008-07-01;修回日期：2008-11-28作者简介：方勇(1977-),男,江苏常熟人,讲师,硕士,主要从事汽车振动及汽车电子研究.

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方

勇等：基于有限元的汽车排气系统模态分析

的连接管道等.通过CATIA软件建立排气系统三维几何模型后,利用专门的有限元前、后

处理软件(本文使用HyperWorks软件的有限元前、后处理平台)对其进行离散化处理,以获得有限元模型.根据排气系统各部件的结构,建立的有限元模型如下:(1)连接法兰模型(图1);(2)三元催化器模型(图2);(3)消声器模型(图3).

本文对排气系统的部件采用四边形板壳单元进行网格划分,少量三角形网格以满足高质量网格的过渡需要;焊点采用spotweld单元模拟.最后模型共形成了16 863个单元体,17 791个节点.其中,四边形单元15 852个,三角形单元798个,所得有限元模型如图4所示.

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模态分析的理论基础对于一个n自由度线性定常系统,其基本振动方程[1]可写成: MX(t)+CX(t)+KX(t)=F(t) (1)速度向量,X(t)为位移

式中:M为系统的质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为刚度矩阵; X向量,F(t)为动激励载荷向量.

为加速度向量, X X X

结构动力特性分析是一个经典的模态分析领域,通过分析能确定结构的各阶固有频率、各阶振型及阻尼.而结构的固有频率和振型是分析结构动力学响应及其他动力特性问题的基础.在进行模态分析时,一般因结构阻尼较小,对固有频率和振型影响甚微,故通常忽略不计.于是,任何一个无阻尼线弹性结构振动系统自由振动运动方程可表示为 MX(t)+KX(t)=0在此情况下,分析结构的固有频率与振型问题就转化为求解方程的特征值与特征向量问题. (2)

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模态提取方法无阻尼线弹性结构振动方程的求解是一个典型的广义特征值问题,目前有多种针对该类问题的求

解方法.在大多数的结构动力特性分析过程中,采用Block Lanczos法、 Subspace法、 PowerDynamics法和Reduced法等. (1) Block Lanczos法采用 Lanczos算法,使用稀疏矩阵来求解广义特征值.此方法计算精确,计算速度比Subspace法更快.在寻找某个指定系统的特征值谱中给定范围内的固有频率时,该方法比较有效,因此在工程分析中常用来提取大模型具有对称结构特征值的多阶模态. (2) Subspace法使用Jacobi迭代算法进行求解.由于在计算中它采用刚度和质量矩阵,所以计算精度更高,但计算速度慢.该方法适用于精度要求高而又难以选择主自由度的情形. (3) Power Dynamics法使用前置条件共轭梯度法(Pre-condition CG)求解.该方法适于求解自由度数高于100 000阶的大模型工程问题的起始少数阶模态. (4) Reduced法采用HBI(Householder-Bisection-Inverse)迭代来计算特征值和特征向量.由于它采用一个较小的自由度子集即主自由度来求解,因此求解速度快.该方法用于提取小到中等模型(小于10 000

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自由度)的所有模态;选取合适主自由度时可获取大模型的少数阶(40阶以下)模态,此时频率 …… 此处隐藏：2223字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……