6汽车轻量化课程论文

汽车排气系统主消声器仿真分析

摘要：为了达到有效降低汽车排气噪声的目的，本文通过利用ABAQUS软件，对汽车主消声器进行自由模态分析和约束模态分析计算。通过对比，观测约束对汽车主消声器的影响。并利用汽车主消声器的模态参数，为汽车主消声器的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

关键词：ABAQUS；自由模态分析；约束模态分析；模态参数；优化设计；

SimulationAnalysisofVehicleMainMufflerExhaustSystem

Abstract:Inordertoachievetheobjectiveofeffectivelyreducingvehicleexhaustnoise,throughusingABAQUSsoftwareforautomobilemufflerfreemodalanalysisandconstrainedmodalanalysis.Bycontrast,observingconstraintsontheinfluenceofautomobilemuffler.Andusingmodalparametersofautomobilemufflerforautomotivemufflervibrationcharacteristicanalysis,vibrationfaultdiagnosisandpredictionandoptimizationdesignbasedondynamicpropertiesofstructure.

Keywords:ABAQUS;freemodalanalysis;constrainedmodalanalysis;modalparameters;optimizationdesign;

引言

随着经济的快速发展和汽车市场的激烈竞争,汽车工业得到了国家的高度重视，已成为国民经济重要支柱产业之一。然而，由于城市机动车辆的大幅增加导致城市道路交通越来越拥挤,道路噪声污染己严重影响人们的日常生活。据资料显示，城市环境噪声的百分之八十以上是来源于汽车，已成为环境噪声的最大污染源。汽车噪声严重污染着城市环境以及影响着人们的生活、工作和身体健康，所以对它的控制，不仅有利于乘客乘坐的舒适性，而且还关系到环境保护。为了解决这个问题，国家和相关企业均制定了噪声标准，因此各大汽车生产商急需解决的如何有效地降低汽车噪声。汽车排气噪声是产生汽车噪声的主要来源之一,因此降低排气噪声是控制汽车噪声的主要方式。为有效降低汽车排气噪声，必须对汽车排气系统进行优化分析设计，以确保汽车在进行降低排气系统噪声时不会产生共振，达到延长排气系统的使用寿命和有效降低汽车噪声的目的。本文基于此目的通过利用ABAQUS等软件对汽车排气系统中的主消声器进行仿真分析。

1汽车排气系统

1.1排气系统组成及功用

汽车排气系统一般由法兰、催化器、波纹管、消声器、中间连接管、尾管、挂钩等部件组成,主要有两大功能：

（1）废气处理。当可燃混合气在发动机内燃烧后，产生的废气要排放到大气中。由于燃烧不完全，排出的废气中一般含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质。这些有害物质严重危害人体的健康以及造成空气污染,必须经过处理才能排放到大气中。汽车排气系统中通常都安装了一个或者多个三元催化器，从发动机气缸内排出的高温废气经过三元催化器发生化学反应后，将废气中的有害物质转化为无害物质，然后经过排气管道排入大气中。

（2）降低噪声。发动机在燃烧过程中会发出极大的噪声,同时气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声。在汽车排气系统中一般都装有两个消声器即主消声器和副消声器。副消声器主要是针对一些特定的频率进行消声，大部分为抗性消声器。主消声器可以是抗性消声器也可以是复合消声器，其主要是用来有效地消除高、中、低频带较宽的噪声。

1.2排气系统噪声源

排气系统的噪声源包括以下四种：一是冲击噪声，二是空气噪声，三是气流摩擦噪声，四是辐射噪声。

（1）冲击噪声。冲击噪声是排气系统管道中气体的冲击产生的，是由于管道内不稳定的气流冲击管道而形成的噪声。排气系统冲击噪声的大小不仅受到管道过渡圆弧的直接影响,而且与结构的变截面积有密切关系。

（2）空气噪声。空气噪声是从排气管道中发出的，是由于发动机在运动的时候产生的压力波传播而形成的噪声。空气噪声的稳定程度与排气系统管道的直径有密切关联，如在气体流量不变时，直径越小就越不稳定。同时排气系统的结构直接决定空气噪声的大小。

（3）气流摩擦噪声。气流摩擦噪声是气体在排气管道中高速流动时，一方面流体与壁面之间的摩擦形成紊流，并扰动板振动产生辐射噪声，另一方面当高速气体通过尾管排入空气中产生巨大的噪声。在排气系统的设计中，一般通过改变排气系统管道中的横截面积、壁面光滑度、气体的流速以及采用吸声材料等方法来改变气体摩擦噪声。

（4）辐射噪声。辐射噪声是排气系统中各种受振结构对外将声音辐射出去产生的噪声。辐射噪声中受振动的结构一般为管道和消声器元件,其振动的激励源通常是机械振动或者管道内部流体压力的波动。辐射噪声的大小与结构的几何尺寸、形状、刚度和强度等有密切关联。

本文主要对汽车主消声器进行模态计算，求解模态参数及为结构的优化设计提供基础，以达到优化降低排气系统噪声性能的目的。

2仿真分析理论基础

2.1有限元分析理论基础

有限单元法分析问题的思路是从结构矩阵推广而来的，其基本思想是将研究的结构分割成有限个单元体，将具有无限自由度的结构问题化为有限自由度来进行解决。对于大多数工程问题，由于形状和边界条件比较复杂，难以精确求解，而采用有限元方法寻求各种近似的数值分析是相当有效的。

在工程实际中研究在载荷和其他因数作用下弹性连续体产生的应力、应变和位移时，物体中各个点的应力、应变和位移一般不相同，这是因为应力、应变和位移是位置的函数。因此,在进行数值分析时，可先把弹性连续体看成无限多个单元体所组成，再采用有限元法的基本思想进行处理,应用离散的思维，把弹性体连续体分解成有限个自由度的单元组合，然后利用结构矩阵分析方法来处理。

有限元离散化是假设把弹性连续体划分为许多有限大小的子域，即有限元，并认为相邻的单元之间节点相连。根据研究结构体的几何形状、载荷以及边界条件等特征，可以将单元划分成各种类型，如三角形单元、四边形单元和等参数单元等。节点一般都在单元的边界上，有限元方法常采用节点的位移分量作为结构的基本未知量。因此,引进等效节点力及节点约束条件的被离散的弹性连续体中，由于节点数目有限，就将无限多自由度的连续体转化为具有有限自由度的有限元计算模型，进而可在有限元分析软件中进行计算。

2.2模态分析

模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态参数有主要包括模态频率、模态振型、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等，然而由于当前研究理论、科研方法的不完善，使得阻尼识别精度有限。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：

1)评价现有结构系统的动态特性；

2)在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；

3)诊断及预报结构系统的故障；

4)控制结构的辐射噪声；

5)识别结构系统的载荷。

2.3ABAQUS应用基础

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包括三个主要的分析模块即ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和ABAQUS/CFD，其中ABAQUS/Standard是一个通用的分析模块．他能够求解广泛领域的线性和非线性问题，包括静在分析、动力学分析、结构的热响应分析以且其他复杂非线性耦合物理场的分析，其还附带了ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design以及ABAQUS/Foundation三个特殊用途的分析模块。ABAQUS/Explicit为显式分析求解器，适用于模拟短暂、瞬时的动幸事件，以且求解冲击和其他高度不连续问题，此外，他对处理改变接触条件的高度非线性问题也非常有效，能够自动找出模型中各部件之间的接触对，高度模拟部件之间的复杂接触。ABAQUS/CFD能够模拟层流、湍流等流体问题以且自然对流、热传导等流体传热问题，再配合ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit使用时，使得ABAQUS表现的更加灵活、强大。

ABAQUS/CAE是ABAQUS的集成工作环境，它可以便捷地生成或者输入分析模型的几何形状，为部件定义材料特性、载荷、边界条件等参数。它还具有强大的网格划分功能，可以检测所形成的分析模型，并在模型生成后提交作业、监控运算过程及结果评估能力。

ABAQUS还包括MOLDFLOW接口及MSCADAMS借口，支持用户将有限元模型信息文件.INP导入及使得用户能够将ABAQUS和机械系统动力学仿真软件ADAMS配合使用，使ADAMS将ABAQUS的有限元模型作为柔性部件使用。

3仿真分析

3.1导入文件

在HyperMesh中将网格划分好后保存为.INP文件，导入到ABAQUS中，具体过程如图3.1

所示：

图3.1导入文件

打开ABAQUS后，点击“文件”、“导入”、“模型”选择.INP文件，结果见图3.2：

图3.2文件导入结果

3.2创建材料

在模型框中选择“属性”，如果有需要创建材料，则点击工具箱中“创建材料”，然后点击“编辑材料”则可进行编辑材料密度、弹性等参数。本文材料名称为MATERIAL-409L-SI，密度为7710Kg/，弹性模量E=209GPa，泊松比为0.33，设置参数界面见图3.3

：

图3.3编辑材料

3.3设置分析步

根据需要，本文不进行装配操作，在模块框中直接点击“分析步”，在弹出的对话框中可进行分析步的创建及特征求解器、特征值个数等参数的设置。本文采用Lanczos作为特征值求解器，特征值个数为20，块大小选择默认，设置界面见图3.4

：

图3.4编辑分析步

3.5编辑载荷

本文为模态分析，不需要载荷，只需创立边界约束条件，根据本文设计，模态计算分为自由模态计算及约束模态计算，只在约束模态计算中设置边界条件，边界约束为主消声器进出管完全固定，边界约束条件见图3.5：

图3.5创立边界约束条件

3.6提交作业

设置完后，进入模块框中点击“作业”，选择提交，见图3.6

：

图3.6提交作业

3.7计算结果

3.7.1约束模态分析

提交作业后计算结果如图所示：

（a）

图3.7

一阶模态振型（b）

（a）

图3.8二阶模态振型（b）

（a）

图3.9

三阶模态振型（b）

（a）

图3.10四阶模态振型（b）

3.7.2自由模态分析

（a）

图3.11

一阶模态振型（b）

（a）

图3.12二阶模态振型（b）

（a）

图3.13

三阶模态振型（b）

（a）

图3.14四阶模态振型（b）

四结论

在模态分析过程中，由于汽车的某些零部件所受约束十分复杂，几乎没有将约束理清的可能性，于是很多学者直接将其作为自由模态计算。由上章内容对比自由模态和约束模态分析计算结果看，二者结果具有出入，因此，在工程上做模态分析计算时，在可能的情况下，应尽量将物体所受约束找出，从而对其做约束模态分析。

在本文中，该汽车主消声器与某四冲程四缸发动机相匹配，发动机的激励频率可用（n为发电动机转速，单位rpm）计算，该发动机的转速范围在700~6000rpm，故激励频率为23~200Hz。而道路不平顺产生的低频激励一般为15~100Hz。由约束模态分析振型来看，其频率均大于210Hz，从而可得出，该主消声器可以装车。

参考文献：

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