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第一章绪论1.1、研究的目的和意义随着社会的发展和技术的进步，人们对现代汽车的要求越来越高。为了降低发动机排放对环境和乘员造成的不良影响，排气系统作为一个重要的组成部分被引入汽车中来。它的主要作用是将发动机工作时产生的废气经过处理排出并且降低排气噪声。它的质量优劣直接关系到汽车的动力性、舒适性和排放标准，对发动机的效率和使用寿命也会产生影响。同时汽车排气系统作为汽车乘坐舒适性的主要影响因素之一，其振动问题在学术界得到了广泛的重视。汽车排气系统一般通过法兰和吊耳分别与发动机排气歧管以及车身地板相连。由于受到发动机本身振动和排气激励的影响，排气管振动相对较大。汽车排气系统主要由排气管、氧传感器、三元催化装置、波纹管、副消声器、主消声器、尾管以及排气系统悬挂装置等组成。其中氧传感器为车辆ECU提供废气中氧气含量的数据，ECU以此来调节发动机进气量来实现燃料的完全燃烧；三元催化装置可以有效的为发动机排出的废气提供净化，去除其中的有毒有害成分（如CO，CyHx以及NyOx等）；主、副消声器可以有效的降低车辆运行时发动机排气所发出的噪音；波纹管以及排气系统悬挂装置则是用来减少排气系统的振动，从而提高系统的可靠性及寿命。所以，对排气系统的研究是十分有意义而且有必要的，尤其是降噪和隔振的研究，对于车辆的运行可靠性及舒适性都有着现实的意义。汽车排气系统首先是一个复杂的声学系统。发动机运行及排放废气时产生噪音往往会覆盖从200Hz到2000Hz的巨大频率范围，故对排气系统的降噪功能提出了极高的要求。因此，通常会使用主、副两个带有多个扩张腔和共振腔的消声器的形式来降低噪音。在某些极端情况或者对噪音要求非常苛刻的车辆环境下，也可能使用更多消声器来完成此降噪任务。其次，汽车排气系统又是一个非常复杂且多自由度的振动系统，其振动的输入源不仅包括了车辆在行驶过冲中发动机产生的振动，还包括汇集了路面通过悬架输入的激励以及传动系统冲击及扭振激励等的车架向排气系统输入的振动。当车辆处于各种特殊工况下，例如起步、制动或者路面遇到冲击时，发动机及车架会向排气系统传递更多的冲击，从而产生很大的动载荷，而车辆在长期处于这些工况交替的情况下排气系统很容易产生结构破坏。所以汽车排气系统一般会采用一套悬挂系统来降低系统所受到的冲击。另外，汽车排气系统一般还会在三元催化附近加装一段波纹管以达到隔离发动机周期性激励的效果。综上所述，汽车排气系统减振和降噪的研究对于整车系统的舒适性、环保性、耐久性、可靠性以及降低零部件因共振因素导致零部件断裂的风险。都有着十分重要的意义。随着振动理论及其相关学科的发展，人们早已改变了仅仅靠静强度理论进行结构设计的观念。许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运动状态的。这种运动或其主要成分往往是振动。如旋转机械的振动，空间飞行器的颤振，车辆、船舶等交通运输工具的振动，机床的振动，武器在发射状态下的振动等等。这些机械的设计、评估自然必须考虑动态特性，动态载荷往往是设计的主要考虑因素。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。为振动工程理论的一个重要分支、模态分析及实验为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设汁方法更使模态分析成为结构设计的重要基础。特别是计算机技术和各种计算方法（如FEM）的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。我的工作课题是对G820车型1.8L发动机排气系统主要零部件进行模态分析。通过abaqus等有限元分析软件，建立排气系统冷端的自由模态和约束模态的有限元分析模型，获得主要零部件在自由状态下和约束状态下的固有频率和振型。基于分析结果进行结构改进和优化，降低零部件因共振因素导致零部件断裂的风险。1.2、国内外研究现状现今国内外有许多学者对发动机排气系统有过研究。王岩松[1]等，应用有限元软件HYPERMESH和MSC.NASTRAN对某汽车的排气系统进行了自由模态分析，建模时不考虑排气系统的吊挂件和支撑以及排气歧管约束对排气系统振动的影响。根据三维CAD模型和质量分布情况进行模拟计算，得到系统固有频率及振型等相关信息；平均驱动自由度位移法可以用来在整车开发前期对汽车排气系统吊耳悬挂点位置的布置当中，根据ADDOFD法曲线，选择ADDOFD值较小的点作为吊耳的悬挂点，根据ADDOFD法绘制的曲线确定排气系统吊耳悬挂点的位置。杨万里[2]等，建立了排气系统模态分析模型，排气系统模型一般由5部分组成:三元催化器、波纹管、前消声器、后消声器和各部件之间的连接管道。其中，他们根据设计部门提供的波纹管CAD模型、三元催化转化器及前后消声器的外壳进行了网格划分。杨万里等对排气系统模态分析数值模型进行了分析,叙述了排气系统完全网格模型和简化模型的建立过程,并比较了两种模型的模态分析结果.研究表明,鉴于排气系统模型的复杂性,完全网格模型不能表达波纹管、三元催化器、前后消声器和橡胶吊挂。因此,计算结果同实际情况有较大的误差。简化模型能从宏观上表达上述元件。因此,计算结果更加精确。方勇[3]等，通过CATIA软件建立排气系统三维几何模型，利用专门的有限元前、后处理软件对其进行离散化处理,以获得有限元模型，并对排气系统的部件采用四边形板壳单元进行网格划分,含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。该模型的边界条件无任何约束。排气系统进行了有限元模态分析,获得了系统的模态参数。为改进结构设计提供了理论依据、为进一步建立系统的振动方程,预估系统在外界激励作用下的响应,深入研究其振动、疲劳和噪声等问题奠定了初步的基础;同时也为开展实际模态试验提供了参考。邢素芳[4]等，针对某轻型货车排气系统在使用过程中发生开裂现象建立了三维几何模型，并采用MSC/NASTRAN有限元程序进行了模拟计算，得出该排气系统的平面单元模型：在消声悬挂位置附近安排的单元密度较大；另外，消声器的轴线位置与相邻的排气管轴线之间有一偏移量，两者之间通过刚性单元进行连接。此模型包括3409个节点和2534个四边形单元。结果表明：发动机的转动频率与该排气系统的固有频率发生耦合，引起了共振。通过改进发动机与排气系统的连接方式等措施改变了排气管的固有频率，降低了振动。经样车试验得到满意的结果。Chang-MyungLeed等发表过关于使用简化了的有限元模型对排气系统的振动模态及频率响应做过研究的文章[5]。其主要目的是为了验证将排气系统中排气管简化成BAR单元后，有限元方法（FEM）能否有效的模拟排气系统真实的振动模态振型与频率，并且通过验证可靠的模型来对整个排气系统的各部件的刚度、阻尼以及质量分布等进行调解来提高系统的可靠性。GaneshIyer[6]等比较了在EMA和OMA两种技术下的差异来研究发动机排气系统的固有频率和阻尼比。系统的模态参数高度依赖环境条件如温度、装配方式、材料和废气流。GaneshIyer等试图弄明白这些环境条件对实测模态参数的影响。进一步进行分析实验,使用CAE模拟来观察温度对排气系统模式的影响。他们的工作让我们理解了OMA的模态优化的重要性,特别是车辆的运行工况很少包含理想的输入条件，比如适用于EMA的噪声输入。详细讨论包括使用OMA和EMA的汽车排气系统的动态特性的评价。汽车排气系统的动态特性受到多个解耦元素，例如温度梯度和气体流动的影响。他们试图找出两种模态分析方法在动态特性方面的相关性,并使用MAC形状向量的相关性比较相关的各种试验条件描述测试条件。这项研究还包括研究温度效应作用在排气系统时对测量模态参数的影响。卞信涛[7]利用Altair/HyperMesh软件创建某排气系统有限元模型，运用MSC/Nastran软件计算排气系统的约束模态，对约束模态分析的结果进行评价。最后结合排气系统吊耳振动响应分析结果，评估排气系统吊耳振动响应峰值频率点。通过对排气系统的有限元分析过程和分析结果的总结，他发现对于包含动力总成的排气系统模态和频率响应分析，模型的输入条件必须准确，其中，球连接、悬置和吊耳的建模必须确保橡胶单元各方向刚度的准确性，尤其是球连接，必须正确仿真其实际的工作状态，否则将对结果产生很大的影响。他的研究为后续排气系统结构及吊耳位置优化提供依据邓帮林[8]等联合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。徐献阳[9]针对排气系统复杂振动的特点，结合排气系统的结构设计，以该系统工作过程的振动为研究对象，采用有限元软件ANSYS中的Lanczos法分别对车辆排气系统在自由状态和约束状态两种边界约束条件下的振动情况进行模态分析，得到了系统在各阶模态下的主要固有频率和振型。然后，通过实验模态分析获得了车辆排气系统在这些状态下的振动固有频率及振型，并对数值计算和实验模态分析结果获取的排气系统固有频率和振型（采用MAC评价）进行了对比。数值和实验模态分析的比较结果显示，数值模型能够很好的描述实际排气系统，但是由于模型的简化该方法仍然存在一定的偏差。最后，使用优化方法描述了排气系统结构模态优化的过程，并对排气系统关键组件参数进行了灵敏度分析，减低了排气系统设计难度，并为优化设计奠定了基础。吴永桥[10]等采用有限元法,在三维流场分析的基础上,把排气压力传递到排气管管壁上,分析排气压力作用的结果。这种间接耦合,由于非线性程度不高,因而只进行单向耦合分析,而不考虑多次耦合的作用。通过模态分析,能有效地了解排气管的振动情况,从而在适当的部位加以约束,减小其振动。其计算分析表明,排气压力的耦合作用不强,温度是影响位移和应力的主要因素之一。发动机工作时,排气总管在XY面内的振动最剧烈,在此平面内加约束,可有效控制振动。NisMøller[11]等也发表了论文，对如何在排气系统处于约束状态的时候采集系统模态参数提出了具体的实验方法。包括如何设置采集点、如何布置加速度传感器的位置与方向以及如何在系统上设置激励点的方法。并且同时验证了有限元分析法在此系统上模拟的可靠性。上述研究为本项目的顺利开展提供了参考和依据。这次的毕业设计根据前人的技术经验，对发动机排气系统进行模态分析，建立三维实体模型导入Abaqus软件中划分有限体积离散网格并进行分析，得出相关结论。1.3软件的介绍对于我的工作课题，我需要学习的软件是Abaqus、hypermash、Catia等软件。1.3.1abaqus软件介绍Abaqus被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。Abaqus不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。Abaqus的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得abaqus被各国的工业和研究中所广泛的采用。Abaqus产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。Abaqus作为一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，abaqus除了能