汽车排气岐管模态分析

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1、汽车排气岐管模态分析ModalAnalysisoftheExhaustSystemManifold周新代智军刘海波徐东辉(天纳克汽车工业有限公司上海研发中心）摘要：本文基于某汽车用排气歧管模型，考虑其振动特性，比较分析了歧管处于冷态与热态的模态频率与振型。在歧管热态分析中，引入CFD计算模型的温度场，再在Abaqus中进行传热分析，将CFD计算出的温度场映射到Abaqus。分析结果表明：歧管冷态(不考虑温度)与热态(考虑温度)的模态频率相差较大，在歧管设计中需要考虑其温度特性。关键词：歧管模态分析温度场Abstract:Inthispaper,FEM(finiteelementmetho

2、d)wasemployedtoanalyzethedynamicfeaturesofanexhaustmanifoldunderbothconditionsofroomtemperatureandthetemperaturefieldcalculatedbyCFD(computationalfluiddynamics).Bycomparison,itisfoundthatthenaturalfrequenciesandmodesachievedunderthese2temperatureconditionsaremuchdifferent.Itisconcludedthattheinfl

3、uenceoftemperatureonmechanicalpropertiesofmanifoldshouldbetakenontoaccountwhenwedesignexhaustmanifolds.Keywords:Manifold,modalanalysis,temperatureprofile1引言对于汽车排气系统而言，通常由两部分组成：热端与冷端。其中热端主要由涡轮增压器、歧管以及三元催化器等组成；冷端主要由消音器、排气管以及一些吊钩、支撑悬挂等组。成。热端部分紧连着发动机，其温度通常都能达到850C左右，温度对于材料的力学性能会产生很大影响，因此温度对于汽车排气管热端的振

4、动耐久性能的影响不可忽略。本文正是基于排气管热端温度比较高这一特点，以某汽车排气歧管为研究对象，对其振动模态特性进行了研究，同时对在模态计算中如何考虑加载温度特性进行了研究。2有限元分析2.1有限元模型某型号汽车排气歧管三维有限元模型如图1所示。该有限元模型共有节点116990个，单元118302个。其中对于管壁结构用壳单元进行模拟，法兰与支架用实体单元进行模拟。材料为不锈钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7800Kg/m3。图1有限元模型2.2温度场分布本文通过汽车排气歧管进口流量、入口温度等信息，通过CFD相关分析软件计算了该歧管的温度场，利用Abaqus中的接触分

5、析以及HeatTransfer传热分析，将CFD计算的温度场Mapping到Abaqus中。由于CFD计算时，仅考虑有气流流过的结构，对于一些支撑结构如支架、法兰等不予考虑，而Abaqus中HeatTransfer分析可以将温度从高温部件传递到低温部件。如图2为CFD计算的温度场以及Abaqus传热分析后歧管中温度分布。图2CFD与FEA温度场分布由上述温度云图可知，排气歧管由于其结构气流的不同，各部位温度差异比较大。其中歧管管道部分温度较高，最高达850。C，支架与法兰部分温度比较低。这与实际结构比较吻合。2.3模态分析如图3所示为歧管冷态与热态前六阶模态振型图：Coldstate:f

6、1=239.6HzHotstate:f1=205.2Coldstate:f2=417.2Hotstate:f2=356.6Coldstate:f3=813.4Hotstate:f3=667.8Coldstate:f4=825.8Hotstate:f4=702.8Coldstate:f5=1054.4Hotstate:f5=900Coldstate:f6=1160.4Hotstate:f6=937图3歧管冷态与热态前六阶模态振型图由上述模态分析可知:冷态与热态第一阶模态频率相差较大，在高阶模态时，不仅频率相差较大，模态振型也相差较大。由于汽车排气管的激励主要来自路面与发动机，路面激励通常在

7、30Hz以下，对于汽油机车而言，来自发动机的激励频率可达200Hz，为了避免排气歧管以及其它部件的共振、提高其耐久性能，设计时需要考虑温度特性。3结论本文研究了某汽车排气歧管冷态与热态模态分析，分析结果表明：冷态与热态模态分析不仅在模态频率上存在差异，模态振型也将发生变化。同时也说明在进行汽车排气系统以及类似温度较高的结构设计时，需要考虑其温度特性对材料的力学性能与耐久性能的影响。4参考文献1.《ABAQUS动力学有限元分析指南》，