基于有限元的汽車排氣系統(tǒng)吊鉤位移響應(yīng)分析

郭學(xué)靜

摘 要：汽車排氣系統(tǒng)吊鉤的位移響應(yīng)影響汽車的NVH特性，為了研究吊鉤的位移情況，采用Hypermesh和MSC.Nastran進(jìn)行有限元網(wǎng)格構(gòu)建并進(jìn)行計(jì)算求解?；谀B(tài)的吊鉤位移分析很好的體現(xiàn)了不同頻率下的響應(yīng)，通過平均驅(qū)動自由度位移（ADDOFD）方法能夠?qū)ε艢庀到y(tǒng)的吊鉤位置進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算仿真結(jié)果有效的輔助了排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并縮短了整車的開發(fā)周期，所做的模態(tài)分析對試驗(yàn)階段的耐久也具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：位移響應(yīng) 模態(tài) 平均驅(qū)動自由度位移

中圖分類號：TG386.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-02

汽車工業(yè)的發(fā)展給人們的生活帶來了前所未有的便捷和高效，然而隨著人們對舒適性要求的提高，對于整車開發(fā)的NVH特性有了更加嚴(yán)格的要求。其中振動特性引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。該文通過有限元的方法，利用高效的網(wǎng)格處理工具Hypermesh和求解器MSC.Nastran，對排氣系統(tǒng)的NVH特性進(jìn)行了評估，基于模態(tài)的吊鉤位移響應(yīng)分析有效地反映了這一特性，同時能夠給出吊鉤的最佳布置位置，對整車開發(fā)具有強(qiáng)有力的支持和指導(dǎo)意義。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是對系統(tǒng)動態(tài)特性的解析分析，結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性由模態(tài)參數(shù)來表示。模態(tài)參數(shù)可由系統(tǒng)的質(zhì)量剛度矩陣的特征值（固有頻率）和特征向量（模態(tài)振型）來表示。系統(tǒng)對于任意激勵的響應(yīng)，可視為系統(tǒng)各階固有振型按一定比例疊加的結(jié)果。各階振型在疊加中所占的比例，則由相應(yīng)的模態(tài)值來決定。

振動系統(tǒng)的動力微分方程可以表示為

[M]{ü}+[M]{}+[K]{u}={F（t）}

[M]{ü}+[K]{u}={0}

式中，[M]，[C]，[K]分別表示為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度，矩陣，x表示位移向量，{F}為節(jié)點(diǎn)載荷向量。由于固有頻率和外載荷無關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻尼較小時，阻尼對固有頻率的影響非常小，可以忽略，因此可以通過結(jié)構(gòu)無阻尼的自由振動方程計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有特性。即，

（[K]-ω2[M]）{u}={0}

假定為諧運(yùn)動

上面方程有非零解的條件為其特征方程為零，即

Det（[K]-ω2[M]）={0}

N自由度系統(tǒng)有N個固有頻率（共振頻率）與固有頻率對應(yīng)的特征向量稱為模態(tài)形狀。該文采用有限元法。其基本思路是將連續(xù)系統(tǒng)分割成若干個微小單元，求解每個單元的近似解，再將所有單元按照標(biāo)準(zhǔn)方法加以組合從而形成原有系統(tǒng)的一個數(shù)值近似系統(tǒng)，即數(shù)值模型。

2 有限元模型的的建立

汽車排氣系統(tǒng)自排氣歧管出來后大致可分為，熱端總成，冷端總成，排氣尾管，其中，熱端總成與冷端一般通過撓性節(jié)連接，撓性節(jié)具有一定的柔性，通過調(diào)整其剛度可以改變排氣系統(tǒng)的整體受力情況。排氣系統(tǒng)通過發(fā)動機(jī)和吊鉤與汽車底盤連接，發(fā)動機(jī)的有限元模型可以相應(yīng)簡化，發(fā)動機(jī)信息包含發(fā)動機(jī)質(zhì)量，質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量及懸置的位置和剛度，吊鉤通過橡膠吊耳與底盤連接，某汽車排氣系統(tǒng)的具體有限元模型見圖1所示，所使用軟件為Hyperworks。

有限元參數(shù)輸入：

3 排氣系統(tǒng)吊鉤力及吊鉤分布的求解

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍600～3000 Hz，相應(yīng)頻率為20～100 Hz

輸入邊界條件：發(fā)動機(jī)懸置與所有吊鉤全約束

輸入激勵：發(fā)動機(jī)質(zhì)心上輸入額定扭矩100 N/m，

應(yīng)用有限元求解器 MSC.Nastran.

吊鉤力如圖2所示。

吊鉤分布云圖如圖3所示。

4 結(jié)語

該文對某車型的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析，基于模態(tài)方法求解出了吊鉤力及吊鉤分布，其中在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)很大的吊鉤力，吊鉤位置分布在位移響應(yīng)較小的地方，從而預(yù)估了排氣系統(tǒng)對整車的NVH特性。

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