轿车排气系统一维数值模型简化及模态实验验证

　　1　引言

　　汽车排气系统是发动机的重要组成部分,其好坏不但影响发动机的功率损失及排放,而且还会引起振动和噪声,影响车辆的NVH(noise, vibration and harsh-ness )性能指标,同时引起排气组件的疲劳破坏。

　　由于排气系统的复杂性和特殊性,传统的理论模型难以解决其振动问题。现在国内外流行的解决方法是采用数值和实验相结合的方法分析和优化排气系统的振动特性[1-2][3]22-37。排气系统数值振动分析的两个关键问题是,①选择建模思路;②建模思想在排气系统具体组件的实施。第一个问题国外文献有不同的分析结果[4]1-2[5],但是对第二个问题国内外未见文献对其进行详细地描述。本文将基于一维排气系统模型思想基础上,对排气系统具体组件的建模进行详细地描述,并给出数值和实验模态的结果比较,以验证模型简化的合理性,为排气系统动力分析、优化和疲劳预测提供基础。

　　2　排气系统组件的模型简化

　　排气系统的组件主要包括三元催化器(由于设计需要可能包含前三元催化和后三元催化器)、波纹管、消声器(可以同时存在多个)、连接法兰、吊挂橡胶件、吊挂支撑杆、与发动机之间的刚性连接件以及排气管。排气系统的具体结构如图1所示。

　　由于部件结构的复杂性,建立排气系统有限元模型时,需进行简化处理。本文采用文献[4]5-6建模思路,即采用一维模型有限元模型来模拟排气系统。一维模型可以产生较少的自由度,同时可以减少由于梁、壳和体单元同时存在导致的单元联接问题。

　　2.1　三元催化器的简化

　　三元催化器一般位于排气歧管的下方,排气系统的始端,根据实际需求,车辆可以安装一个或两个催化器,本文排气系统具有两个催化器,如图1所示。由于催化器结构紧凑,刚度大,因此可以将其简化为集中质量,同时为了描述其长度,附加一段和催化器等长的刚性零密度梁,三元催化器的几何结构和简化模型如图2所示。

　　2.2　消声器的简化

　　消声器是排气系统的重要组件,用于降低发动机的排气噪声到可以接受的等级,通常位于排气系统的中后部。消声器内部结构复杂,一般由消声腔、进气管、排气管、挡板或穿孔板、穿孔管等组成,因此,简化消声器结构是排气系统简化的一个难点。根据大量的计算经验,消声器表面壳结构的变形一般可以忽略,即消声器可以简化为刚体结构。因为消声器结构较为复杂,且由于各种隔板的存在和排气管从中通过等因素,消声器整体的结构刚度较大,且在消声器设计中考虑的频率段一般为中低频(20 Hz~150 Hz)[6],能引起消声器壳结构大变形的激励频率一般为高频激励。