第第頁汽車排氣系統(tǒng)三維建模及有限元仿真研究1.緒論1.1研究背景 61.1.1汽車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成及材料 61.1.2汽車排氣系統(tǒng)的發(fā)展動向 71.2排氣系統(tǒng)的振動分析及研究現(xiàn)狀 81.2.1排氣系統(tǒng)的振動分析 81.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 91.2.3國外研究現(xiàn)狀 101.3課題研究的目的與意義 112.排氣系統(tǒng)的三維建模 122.1UG三維建模概述 122.2三元催化器建模 132.3連接法蘭建模 152.4消聲器建模 172.5橡膠吊掛建模 192.6排氣管掛鉤建模 212.7排氣管道部分建模 232.8汽車排氣系統(tǒng)裝配模型 242.9本章小結(jié) 253.有限元分析 263.1有限元分析方法簡述 263.2網(wǎng)格劃分 263.3邊界條件 283.4模態(tài)分析 283.5靜力學分析 323.6本章小結(jié) 354.總結(jié)與展望 364.1本文工作總結(jié) 364.2工作不足和展望 36參考文獻 38摘要：汽車排氣系統(tǒng)是組成車輛的一個重要部分，負責發(fā)動機的尾氣排放。面對如今愈發(fā)嚴格的環(huán)保的要求，排氣系統(tǒng)的作用也開始逐漸被人所重視。車輛在運行的過程中，排氣系統(tǒng)會被發(fā)動機的周期載荷引起的振動影響，從而引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及吊掛的可靠性能，所以有必要對汽車排氣系統(tǒng)進行強度分析。由于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復雜，很難通過簡單的模型直接分析描述，所以，本文采用有限元法，根據(jù)排氣系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)特征，對排氣系統(tǒng)各組件建模。然后通過各種相關文獻的經(jīng)驗以及步驟，對排氣系統(tǒng)所受到的力進行分析，通過用UG軟件對模型進行建模然后再通過ANSYS軟件完成對各部件網(wǎng)格模型的建立，然后對其進行模態(tài)分析，最后對汽車排氣系統(tǒng)進行有限元分析，在重力載荷的約束條件下分析出最大位移以及應力，利用分析結(jié)果，驗證汽車排氣系統(tǒng)強度的可靠性。關鍵詞：排氣系統(tǒng)，建模，模態(tài)分析，有限元分析1緒論1.1研究背景隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，中國人民的汽車需求大幅度上漲，以至于中國汽車的保有量也在迅速的增長。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國汽車保有量已經(jīng)突破1億輛。我國作為世界上汽車產(chǎn)銷最大的國家，隨之而來的噪聲污染、排放污染以及能源問題等越來越嚴重。所以，為了保護環(huán)境，我國對汽車節(jié)能減排等提出了高標準的要求。排氣系統(tǒng)作為現(xiàn)代內(nèi)燃機動力汽車的一個重要總成，目前，對于汽車噪聲的要求日益苛刻，而汽車噪聲又主要是排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的燃燒廢氣排出時的噪聲和排氣系統(tǒng)本身振動的振動噪聲。為了滿足政府相關環(huán)保部門對于汽車噪聲的要求，世界各大汽車生產(chǎn)商都開始在消聲器上大做文章，因而消聲器的結(jié)構(gòu)也是日益復雜；有的汽車的排氣系統(tǒng)上還裝配有兩個消聲器，即主消音器和副消音器。與此同時，消聲器復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一個排氣系統(tǒng)加裝多個消聲器也產(chǎn)生了以下不足：第一個是提升了汽車整個排氣系統(tǒng)的排氣背壓，第二個是加大了汽車發(fā)動機燃燒廢氣排出時排氣阻力。1.1.1汽車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成及材料汽車排氣系統(tǒng)汽車排氣系統(tǒng)主要由排氣岐管、前置管、軟管、排氣凈化裝置（三元催化器）、排氣消聲裝置（消聲器）等排氣部件組成。汽車中，發(fā)動機是整個汽車的核心，然而，發(fā)動機運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生機械噪聲、氣體動力噪聲和燃燒噪聲，不僅影響了車輛乘坐的舒適性，還造成了環(huán)境噪聲污染。所以，排氣系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分，主要作用就是減少排放和降低噪聲。汽車排氣系統(tǒng)中各部件也有各自的分工，分擔著各自的功能及作用。排氣歧管是通過法蘭盤與發(fā)動機連接，作用是能有效降低廢氣作用阻力，有效避免排期壓力的波動干涉，利于提高發(fā)動機效率。然而排氣歧管是排氣系統(tǒng)中溫度最高的部件，對其材料的要求也較高，應具有抗氧化，抗熱疲勞性以及低熱容量。滿足這些需求的材料最好的是耐氧化強的不銹鋼，通過在鐵素體不銹鋼中添加Nb和Mo改善熱疲勞特性，今后也需要開發(fā)性能比最佳的排氣歧管來減少成本的增加問題。前置管位于排氣歧管和軟管之間，作用是防止排出的氣體溫度降低，來提高催化功能。為避免排出氣體溫度下降以及防止噪音，開發(fā)出了薄壁中空雙層前置管，其材料與也是耐氧化強的不銹鋼，汽車強國日本，美國歐洲都因為不同的目的開發(fā)鐵素體及奧氏體不銹鋼做的中空雙層前置管，但是考慮到成本問題，耐氧化及抗疲勞性能優(yōu)異的鐵素體不銹鋼前置體更具前景。軟管是為了防止發(fā)動機振動傳遞到排氣系統(tǒng)，形狀是波紋狀，結(jié)構(gòu)是雙層管外罩不銹鋼網(wǎng)，材料通常是奧氏體不銹鋼。此外，對于一些嚴格環(huán)境中使用的車輛，還需要在結(jié)構(gòu)上改進，比如采用雙螺紋多層結(jié)構(gòu)的軟管，來增加材料強度。排期凈化裝置（三元催化器）安裝在排氣歧管之后的載體上，用在高溫環(huán)境上使用，所以提高其使用壽命是重要的課題。以前是用陶瓷載體，現(xiàn)在開始慢慢在使用耐熱沖擊性優(yōu)良并且熱容量小的鐵素體不銹鋼箔。由于汽車加速時，發(fā)動機會迅速升溫，所以載體不僅需要設計成箔材，還需要具有熱疲勞性能。消聲裝置（消聲器）一般采用不銹鋼作為材料，但是由于汽車長時間行駛時，尾氣溫度過高導致尾氣中產(chǎn)生水的凝集液體，這種液體含有pH值8-9的有機酸，從而對不銹鋼消聲器有腐蝕性。在發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)，在不銹鋼中添加Cr、Mo可以抑制局部腐蝕的發(fā)生。所以，目前廣泛使用添加上述元素的的不銹鋼來制作部件。[1]1.1.2汽車排氣系統(tǒng)的發(fā)展動向南極冰洋分析結(jié)果指出，近200年中，地球上二氧化碳的量增加了很多很多，并且呈現(xiàn)出逐漸上漲的趨勢。除二氧化碳外，甲烷、氟利昂、二氧化氮等增加溫室效應的氣體濃度也在增加，如果像這樣發(fā)展下去，地球上平均氣溫會提高3-5℃。汽車不僅和地球氣候轉(zhuǎn)暖有很大關系，而且還和氮氧化物造成的酸雨問題，氟利昂導致的臭氧層破壞，產(chǎn)生很多廢棄物等地球很明顯的環(huán)境問題有很大關系?，F(xiàn)在世界上有大概保有數(shù)以億計的汽車量，環(huán)境問題又涉及到汽車的各個部分，因此需要采取各種對應的技術，除此之外，還必須充分的考慮到成本問題。作為地球上環(huán)境對應的對策，正在研究排氣限制和燃料消耗限制。但是僅僅對汽車本身改進的話，是遠遠不夠的，還應該改進社會生活方式。對于汽車本身的改進對策，減少汽車的排放量可以取得最直接有效的結(jié)果，因此，必須讓汽車燃油的消耗降低。分析表明如果，如果車輛重量減輕大概100kg，燃油消耗量有可能會降低幾個百分點。所以，在研究用鋁等輕合金和樹脂取代鋼鐵材料。最近幾年，日本豐田汽車汽油發(fā)動機氣門機構(gòu)發(fā)生了很大的變化，單缸兩氣門迅速到了四氣門的轉(zhuǎn)化，達到將近60％。因為減少吸排氣阻力和氣門小型輕量化，所以大大的節(jié)約了燃料。根據(jù)今后的趨勢，還會通過氣門部件的小型輕量化減少摩擦損失。另一方面，利用新能源來代替汽油燃料汽車也是改善地球環(huán)境的有效措施。為了達到上述一系列的改進措施，汽車排氣系統(tǒng)各部件的改進發(fā)展也是尤為重要的一環(huán)。排氣歧管以前使用鑄鐵，但又需需要節(jié)約燃料，必須讓其輕量化并提高耐熱性，因此正在使用不銹鋼或者鑄鋼。根據(jù)以后稀薄燃燒發(fā)動機的開發(fā)動向，還應該進一步提高不銹鋼的耐熱性；排期凈化裝置以前主要使用陶瓷為載體，但是為了提高凈化效率，必須安裝在發(fā)動機靠近高排氣溫度的地方。但是由于陶瓷耐熱性低，開始采用不銹鋼箔的金屬載體來代替陶瓷載體，不僅能提高凈化效果，還能提高發(fā)動機輸出效率；軟管采用的是蛇形管，由蛇狀管和包覆的金屬網(wǎng)構(gòu)成，為了提高與排氣溫度的配合，在材料方面還需要進一步改進；主消聲器是由板和管組成，原來使用熱度鋁鋼板等材料，為了提高材料的壽命，近年開始使用SUS430系列的材料。為了提高排氣系統(tǒng)各個部件耐熱性，腐蝕性，不銹鋼的使用迅速增加了。為了提高發(fā)動機性能以及降低噪音，排氣系統(tǒng)有大型并且復雜化的傾向，所以為了減重以及降低成本應該進一步努力開發(fā)新材料的加工方法。[2]1.2汽車排氣系統(tǒng)的振動分析及研究現(xiàn)狀1.2.1排氣系統(tǒng)的振動分析汽車排氣系統(tǒng)的研究相當復雜，是一個很難很復雜的課題，它的性能能夠直接影響汽車的動力性，舒適性以及安全性能。系統(tǒng)論可以得知，一個振動系統(tǒng)包括輸入、輸出和系統(tǒng)模型[3]。汽車排氣系統(tǒng)是一個很復雜的振動系統(tǒng)，對此振動系統(tǒng)進行分析時，排氣系統(tǒng)的振動系統(tǒng)主要有四個：發(fā)動機的機械振動、聲波激勵、發(fā)動機排氣流沖擊和車體振動[4]。（1）發(fā)動機的機械振動會直接傳給相連接的排氣系統(tǒng)。（2）聲波在排氣系統(tǒng)管道內(nèi)傳播時，會對排氣管道、消聲器殼體等部件產(chǎn)生沖擊繼而導致振動產(chǎn)生。（3）發(fā)動機運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生高速氣流進而進入排氣系統(tǒng)，然后沖擊作用于排氣歧管上，進一步使整個排氣系統(tǒng)產(chǎn)生振動。（4）車體振動是排氣系統(tǒng)的振動的一大激勵部分，振動會通過排氣懸掛系統(tǒng)傳到排氣系統(tǒng)；在另一方面來自路面的振動也會通過懸架等結(jié)構(gòu)把振動傳遞給車體，車體振動進一步作用于排氣系統(tǒng)。發(fā)動機的影響和路面的振動是影響排氣系統(tǒng)的主要原因，而路面的振動激勵會影響乘車的舒適性，并且其振動激勵頻率在人體反應敏感區(qū)內(nèi)，是排氣系統(tǒng)控制研究中的重要內(nèi)容。排氣系統(tǒng)的震動輸入由下圖1.1所示。圖1.1排氣系統(tǒng)的主要振源振動由振源激勵來輸出，然后通過排氣系統(tǒng)傳遞到車身各部位，最后體現(xiàn)為乘客對整車NVH性能的評價。排氣系統(tǒng)的振動分析主要從振源和排氣系統(tǒng)本身做分析，然而排氣系統(tǒng)的振動分析又分為三個方面：振動模態(tài)分析，動力學響應分析和振動傳遞的靈敏度分析。由于排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復雜幾乎不可能用用經(jīng)典力學解決振動的問題。所以，對排氣系統(tǒng)的振動分析中，有限元分析法得到了廣泛的應用。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)外學者對汽車排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能都做了很大量的分析工作和研究工作。相比于國外，我國對汽車排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能的研究起步較晚，研究的內(nèi)容也相對簡單。我國對汽車排氣系統(tǒng)的研究也與國內(nèi)汽車工業(yè)現(xiàn)狀和各大汽車廠商息息相關。但是，隨著近幾年汽車工業(yè)的快速發(fā)展，排氣系統(tǒng)的研究也在逐步深入。國內(nèi)學者對汽車排氣系統(tǒng)振動的研究較少，比較集中在對消聲器的設計和聲學流場分析。吳永橋，鄢奉林[5]在三維流場分析的基礎上，對排氣系統(tǒng)進行了靜力分析以及模態(tài)分析，從而得出排期總管在XY面內(nèi)振動最激烈。邢素芳，王觀榮等[6]針對汽車排氣系統(tǒng)的開裂問題，應用有限元分析法與實驗相結(jié)合的辦法進行研究，驗證排氣系統(tǒng)固有的頻域和發(fā)動機轉(zhuǎn)動頻率產(chǎn)生共振的設想，并且通過改變其連接方法改善了排氣系統(tǒng)的振動屬性。姜再彬[7]簡化的建立了排氣系統(tǒng)一維梁單元的仿真模型，并且通過進一步的模態(tài)分析用對比的方法去鑒定了連接方式對排氣系統(tǒng)固有頻率的影響。楊萬里，陳燕等[8]則更前進一步的對排氣系統(tǒng)各組件有限元模型的簡化方法進行了對比研究，并且在這個基礎上進行了排氣系統(tǒng)的數(shù)值模態(tài)計算。通過各種分析實驗結(jié)果得出以下結(jié)論：催化器和消聲器組的完全網(wǎng)絡模型與實驗測試結(jié)果有較大誤差，而采用簡化模型甲酸得到的結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。王繼先，李兆文等[9]對內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)的振動特性進行了研究，運用ANSYS軟件對建立的三維排氣系統(tǒng)模型進行計算分析，經(jīng)試驗模態(tài)分析驗證，試驗結(jié)果和計算值相差在1Hz以內(nèi)，驗證了有限元模型的準確性。采用改變橡膠吊耳位置的方法，來改變排氣系統(tǒng)固有特性，經(jīng)過多次分析優(yōu)化選擇了吊掛位置，解決了排氣系統(tǒng)怠速振動劇烈的問題。王春慧[10]在實際工程的試驗中發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)的振動問題，通過她的分析得到了懸掛對排氣系統(tǒng)振動的影響，并提出了通過理論及經(jīng)驗懸掛的布置方法，有限元仿真分析得到結(jié)果，進一步模態(tài)試驗及實車振動加速度試驗進行驗證。以上學者對于排氣系統(tǒng)的研究論證分析和試驗驗證的方法等都有重要的工程意義，對整車NVH性能優(yōu)化和研究具有重要的參考價值。對排氣系統(tǒng)的動力學研究，也是排氣系統(tǒng)振動研究的一個重要方面，國內(nèi)在這方面的研究相對較少。李松波[11]在文中詳細介紹了排氣系統(tǒng)的一維梁單元的簡化建模，通過試驗模態(tài)分析對比驗證了仿真模型是準確的。對排氣系統(tǒng)各組件進行了敏感度分析，并對發(fā)動機對排氣系統(tǒng)固有屬性的影響進行了研究。建立了包含排氣系統(tǒng)在內(nèi)的整車動力學分析模型，在路面輸入和發(fā)動機輸入情況下對排氣系統(tǒng)的動力傳遞特性進行了研究，同時進行了試驗測試對比驗證分析結(jié)果。此文的研究，對于排氣系統(tǒng)的動力學分析具有一定的指導作用。1.2.3國外研究現(xiàn)狀國外學者對汽車排氣系統(tǒng)的研究較早，研究的也更為深入。早在上個世紀末，國外的學者就已經(jīng)對排氣系統(tǒng)的建模進行了大量的研究，并且在排氣系統(tǒng)動態(tài)特性和設計研發(fā)以及計算機模擬及試驗研究等諸多方面都有了較深層次的研究。在排氣系統(tǒng)建模研究上，Ling等[12]建立了排氣系統(tǒng)的一維簡化模型，通過梁單元簡化建模，同時提出以吊耳最小傳遞載荷為評價指標，來對吊耳的動剛度進行優(yōu)化選擇；此文研究動剛度的方法對于后文研究具有深刻的指導意義。Fang等[13]運用NASTRAN軟件中的殼單元模擬排氣管，梁單元模擬懸置和波紋管，剛化處理焊接部分，完成了排氣系統(tǒng)非線性模型取得了較準確的計算結(jié)果。Pang等[14]對排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力分析、傳遞函數(shù)及敏感度分析做了總結(jié)歸納。介紹了排氣系統(tǒng)NVH、排放和疲勞特性的設計規(guī)范，探討分析了排氣尾管對噪聲的影響。定義了排氣系統(tǒng)和車輛之間不同的接口傳遞函數(shù)，但并沒有給出具體的形式。2003年，Pang等[15]又完成了波紋管參數(shù)對排氣系統(tǒng)振動特性影響的研究，進一步建立了包含發(fā)動機重量和懸置剛度的排氣系統(tǒng)振動分析模型。并以波紋管為分界點將排氣系統(tǒng)劃分為熱端和冷端兩個部分。在有限元理論的基礎上，建立了排氣系統(tǒng)振動方程，以波紋管各向剛度為參數(shù)變量，研究得到波紋管垂向剛度是影響排氣系統(tǒng)振動傳遞的主要剛度。和國內(nèi)對汽車排氣系統(tǒng)動力分析的對比來看，國外研究更全面更廣泛，在載荷的設置，數(shù)值仿真分析和數(shù)據(jù)后處理等也有深入的研究。排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力學分析前提是排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析，也是研究排氣系統(tǒng)振動問題的前提。Chang-MyungLee等[16]運用簡化了的有限元模型對排氣系統(tǒng)的振動模態(tài)及頻率響應進行了研究，驗證了BAR單元簡化的排氣系統(tǒng)模型進行有限元分析的準確合理性。并提出通過調(diào)整系統(tǒng)各個組件的剛度、阻尼及質(zhì)量分布等參數(shù)的方法來提高系統(tǒng)的可靠性。HeinerStorck等[17]在排氣系統(tǒng)試驗模態(tài)分析進行了深入的研究，提出了排氣系統(tǒng)三種邊界條件下的模態(tài)：自由模態(tài)、懸置約束模態(tài)和全約束模態(tài)。數(shù)值模態(tài)和試驗模態(tài)結(jié)果表明采用懸置約束和全約束的實車狀態(tài)下的模態(tài)振型較復雜。文章中對模態(tài)測試的方法、測點的選取和測試設備應用等作了介紹。另外，NisMoller等[18]對約束狀態(tài)下如何采集排氣系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的具體方法和步驟進行了詳細的分析，對數(shù)據(jù)的采集，加速傳感器的布置，激勵點的選擇等都作過詳細討論，最后通過試驗分析，驗證了有限元分析模型。Butkewitch等[19]在采用了子結(jié)構(gòu)法優(yōu)化改進了某商用車消聲器支架。采用調(diào)整支架尺寸來提高支架的剛度的方法，實現(xiàn)整個排氣系統(tǒng)屬性的改變，使排氣系統(tǒng)固有頻率避開了發(fā)動機激勵頻率，降低了排氣系統(tǒng)的振動。1.3課題研究的目的及意義在社會經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，交通工具無疑是最能體現(xiàn)社會發(fā)展力度大小的一個指標，汽車也成了家家戶戶都擁有的代步工具。雖然這意味著人民生活水平的提高，但是一系列的隱患問題也會隨之出現(xiàn)。全球如今都在變暖，整體的原因有很多，汽車的尾氣排放是其中最重要的原因之一。當然汽車排氣系統(tǒng)是影響汽車動力性，舒適性和污染力度的重要汽車的一部分，所以對汽車排氣系統(tǒng)進行分析是具有相當大的意義的。又由于國內(nèi)目前對汽車排氣系統(tǒng)的研究較為淺薄，所以對國內(nèi)汽車企業(yè)的發(fā)展有一定的限制，所以對汽車排氣系統(tǒng)進行研究的意義不只在于汽車的發(fā)展，也對國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展有益。國外的汽車企業(yè)中，良好的性能已經(jīng)成為了大部分汽車企業(yè)占據(jù)汽車市場的核心因素；而在國內(nèi)，由于我們對于這方面的研究起步相對較晚，競爭力稍顯薄弱。因此，對汽車排氣系統(tǒng)的研究是一項推動國家進步以及緊跟國際步伐的研究，具有極其重大的意義。2排氣系統(tǒng)的三維建模本文根據(jù)實訓基地現(xiàn)有的閑置的車輛的實際結(jié)構(gòu)，運用專業(yè)的工具例如游標卡尺、扳手、螺絲刀等進行拆卸和測繪，專業(yè)的工作人員的幫助下，借助專門的工具將汽車進行放置，然后通過大約為期十天左右的時間進行測繪，將自己能用簡單工具拆卸的部分進行拆卸，并進行測量，例如管道的測繪，可以用游標卡尺，管道的長度可以用卷尺等測量工具進行大致的測量，對于一些結(jié)構(gòu)復雜較難拆卸的零件地方，則需要麻煩專業(yè)的工作人員協(xié)助進行拆卸，在整個拆裝過程中，提高了動手能力以及學會了基本的汽車零部件拆卸工具的使用方法，在完成測繪任務后，利用UGNX8.5對測繪數(shù)據(jù)在電腦上進行三維建模，完成排氣系統(tǒng)的建模和裝配任務后，再在此基礎上利用ANSYS19.2對各個模型進行有限元分析。汽車排氣系統(tǒng)是其中的重要動力組成部分，在汽車整個運行過程中均會受到來自不同方向的力的作用，因此會對汽車排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、壽命、安全性造成影響，所以對汽車排氣系統(tǒng)進行三維建模并利用有限元軟件進行分析是尤為必要的，故在此利用UGNX8.5三維建模軟件對汽車排氣系統(tǒng)實行建模任務。汽車在運行過程中汽車排氣系統(tǒng)會受到來自不同方向上、不同作用的力以及一些輕微的摩擦和碰撞，為了對汽車排氣系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)上的分析和測試，依靠現(xiàn)有的試驗方法測試，不僅有難度而且成本比較高，借助于CAE技術的日益成熟，因此利用有限元軟件ANSYS19.2對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，從而能高效的對結(jié)構(gòu)上的問題進行發(fā)現(xiàn)和改進。2.1UG三維建模概述UG是西門子公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，滿足用戶的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，并且滿足各種工業(yè)化需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案。UG同時也是用戶指南（userguide）和普遍語法（UniversalGrammar）的縮寫。這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。UG的開發(fā)始于1969年，它是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。UGNX是一個在二維和三維空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。UG在三維建模軟件里可以算是相當強大的一類軟件，深受廣大用戶的喜愛，不僅僅在于其出色的建模功能，裝配功能，以及制圖功能，其對于參數(shù)化建模這一塊更是非常了不起的，大大的為用戶制作產(chǎn)品設計節(jié)省了時間、提高了效率，本課題主要使用UGNX8.5版本進行建模和裝配，用UG建立的模型裝配好后也很便于導入到ANSYS中進行有限元分析。本章內(nèi)容主要是對汽車排氣系統(tǒng)各個部分進行實體建模，最終完成排氣系統(tǒng)各個部分的組裝以及總裝配。2.2三元催化器建模用工具測出三元催化器的主要尺寸有孔徑44mm，壁厚為2mm，其中催化器內(nèi)部的筒直徑為100mm，且長為182mm，整個催化器總長度大約有234mm。對于三元催化器的建模過程，由于該三元催化器是相對對稱的模型，所以在建模過程中，先利用UG中建平面的方法在事先已經(jīng)畫好的上下兩個圓上通過交點的命令生成圓上的兩個交點，然后繼續(xù)利用該平面在上面做一段小圓弧，在完成草圖后，利用軟件中的旋轉(zhuǎn)命令將圓弧圍繞著催化器的中心軸旋轉(zhuǎn)一圈即可生成一邊的圓蓋，但這只是片體的圓蓋，下一步需要進行加厚操作，正常情況下加厚2mm生成實體。在通過拉伸命令繪制圓筒的橫截面，尺寸依據(jù)實際尺寸而定，最后通過拉伸草圖即可完成催化器中間圓柱形外圍的建模，最后利用鏡像特征的命令將第一步畫好的圓蓋鏡像到另一端去，最后再求和就大致完成了三元催化器的建模任務。三元催化器是汽車排氣系統(tǒng)中重要的組成部分之一，它的存在應該說是必不可少的，就對于環(huán)境而言，三元催化器能夠凈化汽車排放的有毒有害氣體，進而轉(zhuǎn)化成無毒無害的安全氣體，然后再排放到大氣中，對于空氣環(huán)境的保護至關重要，它是汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機外凈化裝置。并且主要位于排氣系統(tǒng)的前端以便于首先將尾氣進行處理，對于普通汽車，一般都會有一個催化器，對于排放較大的汽車甚至會有兩個催化器裝置。三元催化器的內(nèi)部載體主要用來承載具有催化活性成分的多孔陶瓷材料，改材料表面附著有貴金屬鉑（Pt）、銠(Rh)、鈀(Pd)或其它催化成分的涂層。這些材料可以將發(fā)動機內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、和氮氧化物(NOx)等有害氣體通過氧化還原反應轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮氣(N2),以達到凈化排氣的目的。三元催化器的外形是圓柱形薄壁外殼，殼體由耐高溫的不銹鋼材料制成，本文基于測繪所得的三元催化器外部尺寸，以及參考汽車的數(shù)據(jù)，通過UG進行三維建模，利用UG系統(tǒng)默認的金屬材料為鐵，按照一般參數(shù)設置其厚度為兩毫米，以便于用實際的數(shù)據(jù)建模后進行有限元的分析。圖2.1三元催化器實物圖2.2三元催化器實物繪制過程圖2.3三元催化器三維模型2.3連接法蘭建模連接法蘭的建模過程較為簡單，通過實地測量的所得到的數(shù)據(jù)和圖形，通過一個拉伸命令即可完成模型的繪制，首先在拉伸命令下進入到草圖界面，可以用多邊形中的菱形命令畫出一個菱形，然后通過修剪圓角等命令約束好圓角的直徑尺寸，再在中間畫一個直徑為48mm的圓，以及上下通過定位尺寸找好圓心的兩個小圓孔的圓，小圓的尺寸為10mm，達到完全約束后，再拉伸8.5mm即可得到該連接法蘭的完整模型。連接法蘭在汽車排氣系統(tǒng)中所起到的作用在于連接各部分。由于排氣系統(tǒng)被分割成幾部分，所以要求連接時要具備良好的密封性，因此要求連接法蘭之間安裝合適的墊片，因為墊片不僅能起到密封的作用還能起到減振的作用，這樣更有利于保護好排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)良好。通過螺栓連接時，在汽車運行過程中存在一定的摩擦和阻尼等作用，并且有很多線性和非線性的因素在影響著，這些都是不易控制的。同時在排氣系統(tǒng)中，連接法蘭一般為菱形或者橢圓形的金屬件，且為了便于連接，連接法蘭一般是成對出現(xiàn)的，并且之間通過螺栓進行連接。本文通過實際測繪數(shù)據(jù)進行三維實體建模，為了保證連接與實際連接盡可能的相符合，在法蘭接觸時，采用梁單元模擬螺栓連接，且梁單元截面與螺栓等半徑賦值。模型的參數(shù)為法蘭厚度10mm，標準螺栓為M12，法蘭的實體結(jié)構(gòu)和三維模型如下。其中測出該連接法蘭主要有平面圖拉伸而來，其中主要尺寸，中間的大圓孔直徑為48mm，上下的兩個連接孔直徑為10mm，法蘭的厚度有8.5mm，其中頂部與小孔同心的圓直徑為20mm，中間與大圓同心的圓直徑為70mm。圖2.4連接法蘭實物圖2.5連接法蘭實物繪制過程圖2.6連接法蘭三維模型2.4消聲器建模消聲器的建模過程是整個排氣系統(tǒng)中最為復雜的模型之一，因為它涉及到了許多不規(guī)則的曲面部分，在構(gòu)造曲面的過程中，曲面的尺寸不易測量精確，因此只能通過大致的尺寸和實物的外形進行繪制，繪制曲面需要在不同的位置構(gòu)造合適的面，以及構(gòu)造曲線，先把所有的曲線構(gòu)造完成后，再通過曲面命令中的通過曲線網(wǎng)格、直紋、N邊曲面等命令對各個曲線圍成的面進行構(gòu)造并生成曲面，然后再進行加厚操作；接著繪制中間的消聲器外壁部分，通過在平面上構(gòu)造輪廓，通過引導線進行掃掠完成輪廓部分的實體模型，再通過拉伸命令即可完成消聲器的外壁部分模型，那么另一側(cè)的曲面部分同樣如法炮制，最后可以再通過繪制曲線然后使用管道命令來繪制兩側(cè)的管道即可完成該消聲器模型的主要繪制工作。消聲器是汽車排氣系統(tǒng)的重要組成部件之一，其目的在于降低汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的噪聲污染，是降低排氣系統(tǒng)噪聲的關鍵組件。本文研究的排氣系統(tǒng)具有一個消聲器，并且位于排氣系統(tǒng)的中后部。由于消聲器的結(jié)構(gòu)和原理的不同，消聲器還可以分為以下三類，即抗性消聲器、阻性消聲器和阻抗復合型消聲器，因此，合理的消聲器建模也將對汽車排氣系統(tǒng)的研究產(chǎn)生重要影響。就消聲器的結(jié)構(gòu)材料而言，消聲器組件的外殼為滲鋁薄壁不銹鋼板件，兩端為稍厚的409不銹鋼，中間為三腔擴張室，內(nèi)部有兩個隔板，整體結(jié)構(gòu)對稱。消聲器是一種薄板結(jié)構(gòu)，本文借助于現(xiàn)有參考數(shù)據(jù)，進行了三維實體建模。正是由于消聲器結(jié)構(gòu)復雜的原因，所以在進行消聲器建模時不得不進行簡化處理：簡化對強度分析影響不大的幾何特征（隔板凸緣，過度圓弧等），忽略消聲器內(nèi)部復雜的管件穿孔結(jié)構(gòu)，忽略焊接對消聲器分析的影響，并將其簡化為剛性連接。汽車的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是個復雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，盡管設計階段對汽車振動和噪聲的考慮已經(jīng)較為全面，但是在整個排氣系統(tǒng)安裝匹配后仍然會出現(xiàn)許多新的問題，仍然需要進一步的改進設計。同時消聲器在整個系統(tǒng)的匹配階段需要經(jīng)常的調(diào)試結(jié)構(gòu)以達到良好的降噪性能。作為排氣系統(tǒng)的一個重要組件其結(jié)構(gòu)的良好與否往往也會影響到整個排氣系統(tǒng)的性能是否良好。以下便是消聲器的實物圖和三維實體模型。其中消聲器中排氣孔直徑為48mm，壁厚為2mm，整個筒長大約為406mm。圖2.7消聲器實物圖2.8消聲器實物繪制過程圖2.9消聲器三維模型2.5橡膠吊掛建模橡膠吊掛的模型相對比較規(guī)則和對稱，所以建模的難度并不大，只需要通過簡單的拉伸命令在草圖界面上繪制好平面圖，再通過拉伸構(gòu)造主體部分，最后再繪制吊掛中的凸臺部分，繪制好一個凸臺后直接用鏡像命令生成另一個對稱的凸臺即可，再根據(jù)實物對吊掛的棱角進行去邊并倒圓角，倒圓角的尺寸為2mm，最終該模型建模完成。排氣吊掛系統(tǒng)由橡膠隔振器（橡膠吊掛）和兩個掛鉤組成 。該系統(tǒng)組件雖然相對于整個系統(tǒng)而言較小，但是卻是不容忽略的一部分，與排氣系統(tǒng)系統(tǒng)相連接的一邊稱為主動邊，其掛鉤也叫主動掛鉤；同時與車體相連的一邊叫被動邊，其掛鉤稱為被動掛鉤。其中橡膠吊掛的作用在于它是用來承載排氣系統(tǒng)重量的并隔離排氣系統(tǒng)向車身的振動傳遞，是排氣系統(tǒng)重要的承重與隔振組件。所以，設計并選擇合理的橡膠吊掛，不僅僅有利于提升排氣系統(tǒng)的排放性能，而且對于整車的排放和結(jié)構(gòu)性能的提高也具有重要的意義。另外，吊掛的工作環(huán)境決定了吊掛必須具備合適的剛度和強度，要能在承載整個汽車排氣系統(tǒng)以及各個方向產(chǎn)生的振動因素容易造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時，吊掛結(jié)構(gòu)能夠很好的將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)住，從而保證整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有良好的使用壽命。又因為汽車排氣系統(tǒng)中所排放的氣體屬于高溫高壓的氣體，所以氣體的溫度以及壓強都很高，這也就要求吊掛結(jié)構(gòu)必須具備抵抗高溫和抗壓的性能。為了滿足吊掛的剛度性能要求，以此來適應各種車輛的不同需求，故而吊掛的結(jié)構(gòu)設計形式也呈現(xiàn)出各種樣式的結(jié)構(gòu)，例如，全部材料都是用橡膠材料組成的無約束型吊掛以及應用了金屬骨架結(jié)構(gòu)，但限制了橡膠伸縮能力的約束型吊掛、甚至還有二孔和三孔橡膠吊掛等。本文研究的汽車排氣系統(tǒng)吊掛就是無骨架式的橡膠吊掛，整個排氣系統(tǒng)使用了五個吊掛，每個吊掛的幾何結(jié)構(gòu)完全相同，鑒于吊掛的耐高溫性能和足夠抵抗高壓的材料的成本，所以在靠近發(fā)動機處所使用的吊掛采用硅橡膠材料，另外的四個吊掛采用三元乙丙橡膠材料。由于獲取橡膠件的各項參數(shù)存在不小的難度，并且各項參數(shù)中還包含了各種的非線性因素。所以在利用ANSYS進行有限元分析的過程中，需要將橡膠吊掛簡化為X、Y、Z三個方向的阻尼系統(tǒng)，吊掛剛度的各項參數(shù)值從汽車的參數(shù)報表中獲取。橡膠吊掛的實物圖和三維實體模型如下所示。直徑為52mm的兩個半圓，加上兩邊長為28mm的邊構(gòu)成了吊掛的外輪廓尺寸，其中兩個小凸臺的孔直徑為12mm，兩個凸臺高度大約29mm，整個吊掛厚度約為22mm。圖2.10橡膠吊掛實物圖2.11橡膠吊掛實物繪制過程圖2.12橡膠吊掛三維模型2.6排氣管掛鉤建模掛鉤的建模主要使用到的命令是管道命令，首先創(chuàng)建指定平面，然后再在指定平面上畫出管道的中心線輪廓，最后利用曲面中的管道命令設置好管道的外徑和內(nèi)徑進行管道的掃掠即刻順利生成管道，但要注意前提是管道的中心輪廓線必須得是連續(xù)相切的才能更好地生成管道實體部分，否則管道很有可能不成功或者生成的管道在過渡處不夠圓滑過渡。至此掛鉤的建模也算完成了。汽車排氣系統(tǒng)是由實心金屬桿件鑄成，且大多為圓柱型桿件，它的一端設計限位凸臺用于安裝橡膠吊掛，并且需要焊接在排氣系統(tǒng)設計好的懸掛位置點上，在車身相應的位置處也安裝有用于安裝橡膠吊掛的的掛鉤，排氣掛鉤的實物圖和三維實體模型如下圖所示。在汽車運行過程中，排氣系統(tǒng)所受到的振動等的作用力是直接通過掛鉤，然后經(jīng)過橡膠吊掛的減振作用，最后經(jīng)掛鉤再傳遞到車架上。在這里，掛鉤作為簡單的實體構(gòu)件，相比較于整個排氣系統(tǒng)來說，它的尺寸和質(zhì)量都是非常小的，但是它對于穩(wěn)定汽車排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題卻起著舉足輕重的作用，本文采用UG對掛鉤進行三維實體建模，在模型中掛鉤和排氣管之間采用的是剛性連接，并且不用計較焊縫的影響。實體測出掛鉤的圓柱直徑為5mm，總長度大約117mm。圖2.13掛鉤實物圖2.14掛鉤實物繪制過程 圖2.15掛鉤三維模型2.7排氣管道部分建模最后需要繪制的整個排氣系統(tǒng)中在中間起著連接作用的排氣管道部分，要知道在整個排氣系統(tǒng)中，汽車尾氣經(jīng)過經(jīng)過消聲器后會進一步進入到三元催化器中進行凈化，最后轉(zhuǎn)化成無毒無害的氣體才能排向大氣中，但是由于尾氣是源源不斷的排放的，而三元催化器短時間凈化凈化一部分的尾氣的能力總是有限的，所以需要一個中間部分來起到一個“緩沖”的作用，這樣就不至于使氣體在短時間內(nèi)在催化器中堆積太多，所以就需要現(xiàn)在這個排氣管道部分的模型來發(fā)揮這樣的一個作用。排氣管道部分的建模并不復雜，實體模型中大部分使用到了管道命令，需要先根據(jù)每段管道進行平面的創(chuàng)建，然后在創(chuàng)建的平面上進行管道引導線的草圖繪制，通過觀察，大致繪制了三個不同平面的管道引導線，在繪制引導線是特別需要注意的是就是要讓管道引導線連接處光滑過渡以及引導線拐彎處足夠圓滑，這樣才能保證生成的管道也是光滑順暢的，另外就是一個類似圓筒部分的模型，這也是用來暫存一些尾氣的，為了緩沖尾氣的排放作用，這部分主要用到的是拉伸命令，首先需要在之前建立的管道橫截面上建立一個新平面，然后根據(jù)實際測繪的尺寸在該平面上畫與管道直徑為48mm圓的草圖，在完成該草圖后，繼續(xù)選擇按距離創(chuàng)建平面這一方式創(chuàng)建下一個平面，在這個平面上也是創(chuàng)建一個直徑為106mm的草圖圓面，然后完成草圖，在兩個草圖平面中間，利用自動創(chuàng)建平面的方式，先是創(chuàng)建一個與管道外圍相切的平面，然后再利用這個平面選擇按照距離的方式創(chuàng)建下一個平面方向選擇向管道內(nèi)側(cè)，距離定為管道圓的半徑為24mm，緊接著通過，已經(jīng)創(chuàng)建好的這個平面，利用交點命令選擇該平面和分別兩次選擇之前所畫的草圖圓，得到了兩個交點后便在該平面上創(chuàng)建一條線段連接兩個交點，再通過旋轉(zhuǎn)命令即可完成這個氣筒蓋子部分的片體結(jié)構(gòu)，然后進行加厚2mm的操作即可，緊接著繼續(xù)選擇剛才生成部分的橫截面進行圓的繪制，該圓直徑仍然為106mm，并拉伸8mm，然后可以同樣的方法做平面完成另一側(cè)小圓蓋的繪制，接著通過橫截面創(chuàng)建平面，再繪制直徑為100mm的圓在平面上，然后再用拉伸命令拉伸182mm生成片體后再進行加厚2mm的操作，最后通過鏡像特征的方式可以直接很方便的將另一側(cè)的蓋子部分模型對稱的復制到與之對應的一側(cè)上去，至此已基本繪制完該模型實體部分。圖2.16管道模型繪制過程圖2.17排氣管道模型2.8汽車排氣系統(tǒng)裝配模型對于汽車排氣系統(tǒng)的裝配環(huán)節(jié)，由于是管道之間的連接，相對來說約束條件還不算復雜，只需要運用好其中的接觸對齊、同心圓、距離等約束條件即可完整較好的約束好組件之間的連接關系、以及控制移動手柄對模型進行移動以方便組件之間的對齊和擺正等。首先需要更改環(huán)境，要進行裝配就必須得在裝配環(huán)境中進行，因此相對于以往的建模環(huán)境而言，首先需要選到裝配環(huán)境去，進入裝配環(huán)境后，在通過添加組件的命令陸續(xù)將各個組件添加進來進行裝配，需要注意的是，裝配體所存放的文件夾不能存放在含有中文的路徑下，同時必須將裝配體模型同各個組件的模型放在同一個文件夾下，以防止裝配好后第二次打開因為不在同一個文件夾下而造成裝配體出現(xiàn)異常缺失的現(xiàn)象。因此，通過運用距離控制以及接觸對齊這幾個最為常用的約束條件就可以大致實現(xiàn)整個系統(tǒng)的完整連接，最后再對一些地方進行檢查，用移動手柄拖動某個部件移動看是否能帶動整個模型良好地移動位置，如果能，則說明裝配到位，否則，就要檢查對應的脫離部分是缺少哪一種約束，然后再針對性地進行添加約束條件。最后添加完需要的約束后即可裝配好該汽車排氣系統(tǒng)模型。經(jīng)過對各部分大小零部件的建模后，利用在UG中的裝配環(huán)境下對汽車排氣系統(tǒng)的零部件進行裝配，以便于后期對于整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和把握，通過UG中各種約束命令將排氣系統(tǒng)的主要部件進行組裝完畢后，該裝配體的三維實體模型如下圖所示。圖2.16汽車排氣系統(tǒng)三維模型2.9本章小結(jié)汽車排氣系統(tǒng)的建模是完成后續(xù)有限元分析的基礎。針對汽車排氣系統(tǒng)較為復雜的結(jié)構(gòu)特點，本章詳細介紹了排氣系統(tǒng)各組件，例如三元催化器、消聲器、連接法蘭、橡膠吊掛等的結(jié)構(gòu)特點以及所建立的模型，在完成各項零部件的三維模型建立后，再利用UG進行系統(tǒng)的總裝配，從而完成了排氣系統(tǒng)建立模型以及裝配的任務。3有限元分析3.1有限元分析方法簡述有限元分析技術是隨著科學技術的發(fā)展而產(chǎn)生的，我國引進有限元分析方法是在20世紀80年代，自引進以來一直在很多領域使用，涉及最多的是航空航天領域、機械、船舶、土木工程、化工以及汽車行業(yè)，部分科研中心也在使用有限元方法。本文是有ANSYS19.2版本進行對模型的分析工作，首先需要將在UG中完成的模型由part格式轉(zhuǎn)換成igs或者x-t格式，然后再通過導入到ANSYS軟件中進行網(wǎng)格劃分和有限元分析工作。3.2網(wǎng)格劃分在利用有限元軟件進行分析時，對模型進行網(wǎng)格劃分可以說是必不可少的一步，使用有限元進行高級仿真模擬時，其基礎在于要將三維實體模型離散化為多個單元。因此在對模型進行高級仿真分析時，網(wǎng)格劃分就是一個關鍵的環(huán)節(jié)，并且這個環(huán)節(jié)直接影響了有限元分析的結(jié)果和質(zhì)量，同時也是將一個實體進行離散化的過程。并且高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分是可以明顯縮短模擬的時長以及提高計算的效率的，最后得出的結(jié)果其精度也會比較高。如果不這么做則會降低有限元分析的效率和質(zhì)量，并且還會浪費掉大量的時間和資源。由于進行有限元分析的汽車排氣系統(tǒng)是具有不規(guī)則形狀的三維實體模型系統(tǒng)，所以是直接對這個模型進行網(wǎng)格劃分是相當困難的。因此到底選擇四面體二階單元劃分網(wǎng)格還是六面體一階單元網(wǎng)格劃分是需要根據(jù)圖形的復雜程度來定的。通過調(diào)查研究，了解到六面體一階單元劃分的模型一般是較為簡單的，但是分析復雜模型會大大降低效率。而另外的四面體二階單元劃分的模型一般是較為復雜的，效率也會比較高。本文的汽車排氣系統(tǒng)中各個組件的模型屬于較為復雜的模型，因此選擇四面體二階單元劃分網(wǎng)格，精度和六面體劃分是一樣的。網(wǎng)格劃分方法選擇四面體網(wǎng)格劃分，設置體尺寸為20mm，其中對消聲器進行網(wǎng)格劃分操作后得到2115261個節(jié)點數(shù)以及491577個單元數(shù)。消聲器等部件劃分好網(wǎng)格之后得出如下圖所示:圖3.1消聲器網(wǎng)格圖圖3.2橡膠吊掛網(wǎng)格圖圖3.3三元催化器及連接管道網(wǎng)格圖圖3.4連接法蘭網(wǎng)格圖3.3邊界條件該汽車排氣系統(tǒng)的邊界條件可分為兩部分：第一部分是發(fā)動機懸置的橡膠襯套，該襯套的一端與這個發(fā)動機相連，另一端則需要進行固定。第二部分則是排氣系統(tǒng)橡膠吊掛的邊界，橡膠吊掛的一端與排氣系統(tǒng)相連，另一端也需要固定，因此在這樣的情況下使得排氣系統(tǒng)盡可能只受到重力載荷的作用以及振動的影響。3.4模態(tài)分析同時與之相伴的是模態(tài)分析方面，模態(tài)的分析是分析排氣系統(tǒng)頻率響應的關鍵之處，由于排氣系統(tǒng)在汽車底部，離發(fā)動機也較近，因此它的模態(tài)必須和發(fā)動機的激振頻率以及車體的模態(tài)分開，否則各系統(tǒng)的頻率耦合在一起就會產(chǎn)生強烈的共振效應，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此需要將加載好約束條件的有限元模型導入ANSYS，通過提取該排氣系統(tǒng)的各階次模態(tài)值，從而獲得排氣系統(tǒng)的約束模態(tài)，下表為該汽車排氣系統(tǒng)的各階次頻率值。模態(tài)階次12345678頻率/Hz8.47611.78114.65918.41719.82827.19231.26536.662模態(tài)階次910111213141516頻率/Hz56.68261.74784.78893.618123.651136.351164.891186.800表1.1汽車排氣系統(tǒng)各階次頻率通過汽車排氣系統(tǒng)的約束模態(tài)頻率與路面激勵、發(fā)動機的激勵的對比，可以判斷出結(jié)構(gòu)是否存在共振現(xiàn)象，分析共振對汽車排氣系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，了解機械結(jié)構(gòu)的振動參數(shù)，進一步才能明確汽車排氣系統(tǒng)的機械性能的優(yōu)化方向。那么為了避免共振的產(chǎn)生，因此主要考慮自由模態(tài)1—6階固有頻率及振型，如圖3.5—3.10所示：圖3.5第一階固有振型圖3.6第二階固有振型圖3.7第三階固有振型圖3.8第四階固有振型圖3.9第五階固有振型圖3.10第六階固有振型模態(tài)分析的最終目的和意義是為了識別出系統(tǒng)中的模態(tài)參數(shù)，為排氣系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷以及結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。本文通過ANSYS軟件對排氣系統(tǒng)進行模態(tài)分析，從上圖分析結(jié)果可以清晰地看出：對比分析圖3.5—3.10的1-6階模態(tài)分析陣型圖可以看出，頻率低時，危險位置集中在排氣系統(tǒng)的尾管處，頻率高時，危險位置主要集中在殼體結(jié)構(gòu)處，隨著頻率的增大危險位置也開始移動。通過此排氣系統(tǒng)的振型分析，可以判斷出排氣系統(tǒng)的振動形式，為后期排氣系統(tǒng)的仿真分析等提供準確的數(shù)據(jù)支持。通過模態(tài)分析，可以達到提高結(jié)構(gòu)的特征頻率，可以就改變、優(yōu)化設計尺寸和設法減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量提供幫助。振動模態(tài)特性是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。因此，我們可以通過模態(tài)分析的方法搞清楚該排氣系統(tǒng)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，從而我們就可以預測結(jié)構(gòu)體在該頻段內(nèi)在外部和內(nèi)部的各種振源激勵作用下產(chǎn)生的實際振動響應。所以模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設計以及設備故障診斷的重要方法。3.5靜力學分析在進行有限元分析之前，已經(jīng)清楚了汽車排氣系統(tǒng)在汽底部所受到的來自各個方向的力和振動，因此在給汽車排氣系統(tǒng)施加載荷的時候，盡可能完全按照實際過程中施加載荷方式進行的。但由于汽車排氣系統(tǒng)畢竟是一整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此必須得對其中的組件進行逐個的分析操作，其中主要涉及受力的部件有連接法蘭、掛鉤和橡膠吊掛。主要受到的力有重力。同時為了使有限元分析的數(shù)值最大限度與真實實驗過程中的數(shù)值接近，在ANSYS軟件中施加載荷和邊界條件都與真實實驗過程中的始終一樣。因此整個高級仿真的過程和實際試驗的過程基本一致。由于這里主要考慮的是排氣系統(tǒng)自身重力對其的影響，外在只有排氣消聲器的重力。排氣系統(tǒng)通過懸掛裝置將排氣系統(tǒng)與車架連接在一起，所以排氣系統(tǒng)在消聲器與車架連接處固定，而且排氣系統(tǒng)通過螺栓連接與發(fā)動機固定在一起，所以排氣管和發(fā)動機連接處也可以認為是固定的。同時根據(jù)該應力分析圖可知，由于固定連接的原因，連接法蘭在受到重力的條件下，所受到的應力是非常小的，其中最大約為2.2035x10-11pa，最小達到了0。所以可以看出受到力的影響是非常小的，顯然是足夠可靠安全的?；谠撆艢庀到y(tǒng)在發(fā)動機和連接法蘭約束的條件下，其最大位移和最大應力以及連接法蘭的最大受力都有限值約束，所以，需要對汽車排氣系統(tǒng)進行在重力載荷下的靜力學分析。故而需要將在NX8.5中建立好的三維實體模型先進行格式上的轉(zhuǎn)換，利用UG軟件中的格式轉(zhuǎn)換功能可以很輕松地將三維模型prt格式轉(zhuǎn)換為用于進行有限元分析的x-t格式或者igs格式，格式轉(zhuǎn)換完成后，接下來便是將轉(zhuǎn)換好格式的模型導入ANSYS中并進行重力載荷的加載，在對其進行靜力學的分析，在這里兩種格式中任意一種均可導入進行試驗。其中下圖分析中先是排氣系統(tǒng)的位移分析圖，再接著就是排氣系統(tǒng)的應力分析圖。通過下圖中的數(shù)據(jù)可知，該汽車排氣系統(tǒng)在受到重力載荷的條件下，其最大的位移量和最大的應力分別是2.94mm和130.32Mpa，并且最小位移量可以達到0，最小的應力可以達到2.8x10-5Mpa，可以看出，汽車排氣系統(tǒng)的受力相對均勻，只有在消聲器這一塊出現(xiàn)了最大應力點，但是很明顯，該排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是完全能夠承受住在重力加載條件下所產(chǎn)生的這個最大應力的，也即能夠承受最大應力130.32Mpa，所以，滿足靜力載荷下的設計要求。由于排氣系統(tǒng)前端法蘭固定在排氣歧管法蘭上，并且通過橡膠吊耳懸掛在車體上，但橡膠吊耳受材料屬性的影響，能承載的最大載荷力具有一定的極限，所以，需要對排氣系統(tǒng)進行預載力的分析。將建立好的排氣系統(tǒng)有限元模型進行約束和重力載荷的加載，然后對其進行分析。并得到了在該工作條件下的極限載荷為33.4MPa。圖3.11重力載荷下汽車排氣系統(tǒng)位移圖3.12重力載荷下汽車排氣系統(tǒng)應力局部圖①圖3.12重力載荷下汽車排氣系統(tǒng)應力局部圖②圖3.12重力載荷下汽車排氣系統(tǒng)應力局部圖③圖3.12重力載荷下汽車排氣系統(tǒng)應力局部圖④從以上各個地方的局部受到的應力分析圖可以看出，應力大多集中在連接窄縫出，這里可見應該是最為薄弱的地方，也就是最容易受到應力集中的地方，當然也最容易受到應力的影響，所以得出結(jié)果，盡管在保證應力分布均勻的情況下，整個排氣系統(tǒng)能受到不大的影響，但對于這些局部受到應力影響較大的地方還是需要加強材料的鞏固的，比如利用特殊的鋼結(jié)構(gòu)材料來加強這些地方的應力抵抗的能力。3.6本章小結(jié)本章不但對汽車排氣系統(tǒng)的每一部分進行了網(wǎng)格的劃分操作，還對汽車排氣系統(tǒng)總成進行了網(wǎng)格劃分，進而對汽車排氣系統(tǒng)總成進行了有限元的模態(tài)分析以及應力和位移分析操作，通過試驗分析所得出的數(shù)據(jù)，可以看出，汽車排氣系統(tǒng)的位移量偏小，雖然整個系統(tǒng)受到的應力比較大，但仍然不足以對系統(tǒng)造成影響，因此排氣系統(tǒng)的各項指標均在合理范圍內(nèi)，所要做的就是盡可能地多優(yōu)化結(jié)構(gòu)和設計材料。4總結(jié)和展望4.1本文工作總結(jié)本文對排氣系統(tǒng)的受力分析和設計方面進行了研究。對有限元法理論、模態(tài)分析與應用理論、試驗優(yōu)化設計等進行了闡述，在此基礎上完成了汽車排氣系統(tǒng)三維建模、網(wǎng)格化和有限元分析。運用網(wǎng)格分析法對排氣系統(tǒng)各個組件進行了研究，通過有限元分析完成排氣系統(tǒng)的受力分析和優(yōu)化，最后依據(jù)本文的研究，進一步驗證并解決了某車型排氣系統(tǒng)受力優(yōu)化的問題。綜上所述，本文具體的研究工作總結(jié)如下：1、對排氣系統(tǒng)的組成和相關研究現(xiàn)狀做了簡要的概述。根據(jù)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，運用UGNX8.5軟件完成了排氣系統(tǒng)各個組件的有限元模型的簡化建模。并通過相關測繪參數(shù)對各個組件進行總裝配，完成了動力總成的模型簡化。2、利用ANSYS19.2軟件，對排氣系統(tǒng)自由和約束模態(tài)進行了數(shù)值模態(tài)分析，通過試驗模態(tài)分析，獲得了排氣系統(tǒng)自由和實際安裝狀態(tài)下的排氣系統(tǒng)的固有屬性，完成了排氣系統(tǒng)試驗模態(tài)分析工作。在模態(tài)分析的基礎上，以排氣系統(tǒng)固有頻率和模態(tài)振型相關性（MAC評價）為指標，對比驗證了數(shù)值模型的準確性，為排氣系統(tǒng)后續(xù)數(shù)值仿真分析提供依據(jù)。4.2工作不足和展望本文在采用ANSYS等軟件進行排氣系統(tǒng)的仿真研究過程中，由于邊界條件參數(shù)和實際條件的限制，未能對相關