摘 要：本文首先建立了某汽车排气系统的有限元模型，然后利用排气系统的自由模态试验结果与仿真结果对比，验证了有限元模型的准确性。最后对排气系统进行静力学分析，得出排气系统的每个橡胶吊耳的受力和位移情况。基于整车设计及布置要求对排气吊耳刚度进行优化，得出满足整车要求的吊耳刚度。
关键词：排气系统；静力学分析；橡胶吊耳
一、前言近几年，国内外学者对汽车排气系统的建模方法进行
随着国内外汽车技术的发展与进步，人们对汽车的结构轻量化、舒适度及NVH性能要求越来越高。汽车排气系统是汽车乘用舒适度与NVH性能的重要影响因素之一。
汽车行驶时，排气系统受到来自路面与发动机的激振力作用，该激振力会引起排气系统结构振动以及橡胶吊耳的疲劳寿命及可靠性，同时，激振力会通过吊挂件传递到车身，影响车身
结构的NVH舒适性能，因此对汽车排气系统振动性能进行分析是很有必要的。
二、有限元模型建立
汽车排气系统通常主要包括法兰盘、催化器、波纹管、消音器、吊钩、橡胶吊耳、主管和尾管。研究排气系统振动特性的主要工作是建立准确的有限元模型。对于排气系统结构很复杂的情况，要建立有限元模型就需要进行适当的简化。对于建立简化的有限元模型，通过采用对排气系统的分析样件进行试验模态分析，验证其建立的有限元模型的可行性，从而应用校核后的有限元模型进行力学特性分析。
近几年，国内外学者对汽车排气系统的建模方法进行了大量研究，可以概括为两大类[1-3]：一类是以梁单元为主的有限元模型；一类是以壳单元为主的有限元模型。本文采用某汽车排气系统的三维CAD模型，利用HYPERMSH软件建立有限元模型。有限元模型以壳单元为主，其中法兰盘和吊钩为实体单元；波纹管和橡胶吊耳均采用弹簧单元加以简化，简化过程中，保证波纹管的长度、质量及刚度。按上述思路，采用网格划分软件HYPERMESH得到该排气系统的有限元模型，共得到102 482个Shell63单元，38 301个Solid45和6个MATRIX27单元，如图1所示。
三、有限元模型验证
对排气系统进行结构分析时，需建立准确的有限元模型，要求对于排气系统的数模做合理的简化。通过排气系统自由模态计算结果与其试验结果进行对照（表1），分析计算与试验的固有频率值和振型的相似性。
从表1中得出，排气系统的自由模态频率计算值与其试验值近似，各阶模态的振动型式也一样，因此，排气的有限元模型可用于结构力学仿真分析。
四、有限元仿真分析
1.静力学分析
有限元模型验证后，该排气系统在动力总成和橡胶吊耳约束下，对排气系统进行静力学分析，在重力载荷下得出排气系统的最大位移、吊耳的受力及位移情况 [4]，进而优化各个吊耳的刚度值，使排气系统达到静平衡状态。
将验证后的有限元模型导入ANSYS进行静力学分析。在重力载荷作用下，排气各处吊
耳采用的刚度值为15N/m m，由图2汽车挂件可知，排气系统最大位移值4.397m m，各个橡胶吊耳的受力及位移情况，如表2所示。
由表2可知，排气各个吊耳在重力载荷作用，位移值相差比较大，从而会导致排气系统装配后处于不平衡状态，从而会导致橡胶吊耳处于过度挤压或拉伸状态，例如图3所示。橡胶吊耳不但没有发挥应有的隔振降噪作用，而且影响其疲劳耐久性能。因此，通过调整各处吊耳的刚度值得到近似的位移值，可使排气系统在重力载荷下处于静平衡状态。
2.吊耳刚度优化
由上述仿真分析出的静力学结果，通过计算各个吊耳的受力情况，合理优化各处的吊耳的刚度值，得出如表3所示的吊耳位移变化量在3mm左右变化，可得出优化后排气系统在重力载荷下基本能达到静平衡状态。
通过以上对吊耳的静刚度值优化后，得出排气系统在重力载荷下的静力学分析结果，如图4所示。从图中发现，排气系统整体的最大位移量为3.5mm。
五、结语
通过以上分析和计算，汽车排气系统在重力载荷下排气吊耳的刚度和位移变化量得到优化。总结其中的关键步骤为：首先，在模态试验的基础上，对排气有限元模型进行合理的简化，验证其模型具有仿真的真实、可靠性。然后，设定吊耳刚度值，对排气系统进行静力学分析。最后，优化吊耳的刚度值，使排气系统在重力载荷下具有良好的平衡状态，避免在排气系统在实践装车中，个别吊耳过度变形，影响其可靠性。
参考文献
[1]田育耕，刘江华等.汽车排气系统振动模态分析及悬挂点优化[J]. 辽宁工程技术大学学报， 2009， 28（6）.
[2]李松波.车辆排气系统振动建模与动力学特性研究[D].上海交通大学.2008.
[3]徐献阳，李松波等.某轿车排气系统振动特性仿真及优化[J].设计与研究-机械，2008，3（35）.
[4]侯献军，刘志恩等.汽车排气系统静力学计算及模态分析[J]， 汽车技术，2010年第一期.
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