100-某轿车排气系统振动分析

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会论文集某某某轿车某轿车排气系统振动分析11112邓帮林，冯仁华，王宝林，李军成，许胜利（1湖南大学先进动力总成技术研究中心；2湖南奔腾动力科技有限公司，长沙，湖南，410082）摘摘摘要要要：联合要MSC-Nastran与AVL-Excite软件，对某轿车排气系统进行模态与强迫振动分析。首先利用MSC-Nastran对排气系统做自由模态分析，初步分析其吊挂点布置合理与否。然后利用MSC-Nastran对排气系统进行自由度缩减，提取其质量矩阵、刚度矩阵、主节点自由度信息及模态信息，整合到内燃机-排气系统多体动力学模型中，对

2、排气系统进行受迫振动分析，充分考虑其弹性变形与模态共振对振动响应的影响。得出排气系统任一点上的振动响应及排气管路长度上的振动传递率，考察其振动耦合特性；为排气系统的空间走向和结构设计提供强有力的依据。关键词：：：排气系统：；模态；振动；MSC-Nastran；AVL-Excite中图分类号：TP391.9文献标识码文献标识码：A引言排气系统一端与发动机相连，另外一端通过吊挂和车体相连。激励源的振动传递给排气系统，然后再通过吊挂传递给车体，车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传递给乘客，同时车体的振动也会辐射出去，在车内产生噪声。[1]排气系统的激励源主

3、要有五个：发动机的机械振动、路面的随机激励、发动机的气流冲击、声波激励和车体振动。第一，发动机的机械振动，排气系统直接和发动机相连，因此发动机的振动可以直接传递给排气系统。第二，路面谱的随机激励，路面随机激励通过轮胎、车体和发动机等传递给排气系统，然后排气系统逆向传递给车体。第三，发动机的气流冲击，高速气流经过汽缸排出，直接激励排气多支管，从而引起排气系统振动。第四，声波振动，声波在管道内运动时，会对管道和消声器等产生冲击，因而引起振动。第五，车体的振动，这个振动传递方向与前面传递相反，车体振动也会通过吊挂传递到排气系统，然后逆向传递到发动机，从而加大

4、发动机的振动。由于后三种激励难以用理论和数值描述，同时，前两种振动激励源对排气系统的影响较大，由于条件的限制，本文仅考虑发动机激励。111排气系统组成及吊挂位置分布1排气系统组成及吊挂位置分布该排气系统由排气歧管、增压系统、前后消声器、催化转换器、管路和吊挂等组成，如图1所示，为了后续叙述的方便，把四个吊挂点分别命名为A、B、C和D。图1排气系统组成及吊挂分布616第五届中国CAE工程分析技术年会论文集2222排气系统自由模态分析排气系统自由模态分析典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：[]{}2[]{}KF=wMFiii其中：[]K，

5、刚度矩阵；{F}，第i阶模态的阵型向量（特征向量）；i2w，第i阶模态的固有频率（w是特征值）；ii[M]，质量矩阵。MSC-Nastran提供了多种方法求解上面的方程，其中分块Lanczos法特征值求解器是缺省求解器，它采用Lanczos算法，是用一组向量来实现Lanczos递归计算，这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块Lanczos法提取模态特别有效。计算时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。因此当采用频移频率（FREQB）来提取从FR

6、EQB（起始频率）的n阶模态时，该法提取大于FREQB的n阶模态和提取n阶低频模态的速度基本相同。表1为排气系统前6阶固有频率及振型说明，由于此排气系统跨度较大，总体为细长杆结构，结构刚度偏低。图2~7为排气系统1~6阶振型图。通常，吊挂是放在节点的位置，模态节点的振动在理论上是零，这样可以有效的减少排气系统对车体的振动传递率。但是实际设计中，排气系统模态的节点在数值仿真中并不容易确定，同时由于车体下部结构布局的限制，吊挂具体位置的确定需要设计者根据具体问题具体分析，不能一概而论。下面结合模态分析来分析吊挂位置的布置合理性。第一阶模态有两个节点，分别出

7、现于吊挂A及C附近；第二阶模态也两个节点，同样位于吊挂A及C附近；第三阶模态单个节点，位于吊挂C附近；第四阶模态出现三个节点，其中前后两个分部出现于吊挂A及C附近；第五阶模态出现单个节点，未靠近任何吊挂；第六节模态出现三个节点，其中前后两个分部出现于吊挂A及C附近；纵观前六阶模态，吊挂A及C基本布置在节点附近，较合理。而吊挂A和C之间跨度较大，为细长结构，除第四、第六阶外（出现的节点离吊挂B较远），其他阶次未出现节点，可通过改变排气管走向及改动吊挂B位置来协调自由振动模态及吊挂位置的关系。吊挂D处于尾端，不可避免的处于振动剧烈区。纵观前六阶模态，有三阶

8、出现两个方向上的振型耦合，可以想见，对于后续的高阶模态，各方向上的振动耦合会加剧，这对于结构复