李小康 赵玉才
摘 要：在汽车排放标准由国六取代国五的过程中，针对某款车型在设计开发时排气系统产生的轴向模态问题进行研究和设计优化。利用Hyperworks和Nastran对排气系统进行仿真分析，找出轴向共振模态下的位移量和动态应力最大的位置，再对该位置的结构从几个维度进行结构更改，通过模型仿真找出最合适的优化方案，使排气系统在约束模态频率下该位置的动态应力最小，从而解决该轴向模态问题，同时也为排气系统在汽车国六排放的设计开发中遇到的轴向模态问题提供了解决方案。
关键词：排气系统;模态分析;轴向模态;中消声包
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）22-77-03
Abstract： In the process of the national five emission standards replacing the national five emission standards， the exhaust system axial mode problem happened during the design development of a certain vehicle， it is studied and optimized in this article. HyperWorks and NASTRAN are used to simulate and analyze the exhaust system. Finding out the position with the largest displacement and dynamic stress under the axial resonance mode. Considering several factors， the structure of this position changed to find out the most appropriate optimization scheme through the model simulation. The optimization scheme minimize the dynamic stress of this position under the exhaust system constraint mode frequency， thus， the axial mode problem can be solved. At the same time， it also provides a solution for the axial mode problems encountered in the design development of exhaust system in the national five emission standards.
Keywords： Exhaust system; Modal analysis; Axial mode; Middle muffler
CLC NO.： U464 document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）22-77-03
1 概述
近年來，随着国家经济水平的飞速发展，我国汽车工业水平也得到了全面提升，与此同时，国家对汽车行业释放的标准也越发严苛。排放要求上，从2019年开始全国逐步实行国六排放标准，从而降低汽车污染排放保护环境。行驶噪声上，最新国标规定满载不超过2500kg的乘用车加速行驶车外噪声不超过71dB，从而降低城市噪声污染，提升人们的居住环境品质。
在汽车行驶的过程中，排气系统对净化废气和吸收发动机排出废气的激励噪声具有重要的作用。排气系统前管通过法兰和发动机相连，排气管体上的吊耳支架或者吊钩与车身通过橡胶吊耳连接，吊耳配合排气管前端的柔性节缓冲来自发动机和路面各个方向的振动激励，发动机运转过程中汽缸产生爆炸声和排气气流声由焊接在排气管上的消声包进行过滤消声。排气系统结构如图1所示。在排放标准由国五转国六后，部分车型的排气系统会在前排总成焊接UFC（under floor converter）来净化废气以满足排放要求。汽车行驶时，发动机振动会通过法兰连接传递至排气管，具有一定重量的UFC会在该振动激励产生一定频率的轴向运动，从而对中消声包前端的焊接端盖产生轴向冲击，在一定程度上对消声包的耐久性能产生失效风险。
本文以某款车为例，针对该款车在国五转国六的设计开发中遇到的该轴向冲击耐久失效问题，通过建立有限元分析（FEA）模型来仿真排气系统的振动位移和关键位置动态应力，在此基础上优化排气管的结构设计来避免轴向失效风险，从而满足汽车的设计开发和客户使用要求。
2 模型建立及验证
2.1 FEA模型建立
本文采用Hyperworks和Nastran对排气系统进行建模和发动机模态仿真分析，如图2所示。排气管的模型中采用壳单元模拟焊接，采用rbe单元模拟吊耳支架中与法兰之间的螺栓连接，采用CBUSH单元模拟柔性节，采用壳单元模拟消声包。对动力总成而言，在质心位置采用质量单元模拟，并将模型所需的质量、转动惯量等参数设置在质量单元中。
边界约束条件：
（1）模型状态与整车装车状态保持一致;
（2）动力总成悬置车身侧和吊耳车身侧在各个自由度被固定。
2.2 FEA模型验证
由于发动机的转速范围一般在0-6000rpm，因此一般对四缸机而言，只需在0-200Hz范围内进行模态分析即可，利用上述包含动力总成的排气系统模型计算所得的约束模态频率如表1。
