汽车排气消声系统振动与模态分析

论文摘要

有限元法是结构动力学分析方法之一,如果模型包含较多自由度,分析效率将会很低,因此降低有限元模型的自由度有非常重要的作用,并且可以在设计和分析阶段使模型各个部分相互独立。使用子结构模态来代替系统结构模态来描述子结构物理位移的方法被称为子结构耦合或者子结构模态分析方法,这种方法是可以用来缩减系统自由度,改进有限元方法。有限元分析技术也经常用于结构模态分析,模态分析是用模态频率、模态振形、阻尼因子等参数来表征系统的动力学特性的一种处理方法,并且可以使用这些参数建立系统动态特性的数学模型,这种数学模型被称为系统模态模型并且它的特性可以通过模态数据来获得,所以模态分析是机械设计的基础和关键,其基本原理是用独立的差分方程来描述机构特性从而获得系统的模态频率和模态参数。模态分析已经有广泛的应用,比如机械工程、航空工程等。另外,灵敏度分析方法也是一种有效的设计方法,它是分析设计变量的变化对目标函数和约束函数的影响,主要为了使各结构参数满足结构动力学的设计要求。汽车排气消声器本身的振动对汽车NVH有重要影响,分析其模态参数及灵敏度对有非常重要的作用,以帮助设计者达到设计要求,比如最大或者最小化模态频率、应力和位移等。如果系统的激励频率与模态频率接近,系统将共振,其中一个解决措施是改变消声器与车身的悬挂点。通过本文的分析可以合理的选择悬挂点位置。论文首先介绍了两种缩减模态的方法：Raleigh Ritz法和子结构模态综合法（CB）。这两种方法使用一个包含两部分的梁模型进行验证,其中每个部分可以划分多个子系统,分析结果与FEM进行了比较,并得到特征值和特征向量的误差。同时这两种方法也被用用于在梁的节点处施加弹簧的模型,传统和非传统的方法误差很小,Raleigh Ritz法比CB法特征值计算结果与FEM更接近。改进的缩减模型（IRS）对整个系统的模态模型有更精确的估算。Rayleigh Ritz向量是一种寻找最小特征值和特征向量的一般方法。本文比较了IRS, Raleigh Ritz和压缩（condensation）方法,并建立数学模型,分析结构表明IRS方法很接近于FEM方法。其次研究了模态分析方法及其在汽车消声器中的应用。通过UG建立消声器几何模型,并使用Altair hyper work-hyper mesh划分网格,而后使用MSC.patran进行了模态分析,同时分析了结果的模态判定矩阵（MAC）。对消声器系统进行了灵敏度分析,使用UG建立几何模型,MSC.NASTRAN进行优化分析,通过加权综合得到节点位置。从而得到一个合适的悬挂点范围,使排气系统的振动与车身隔离。悬挂点选取的理论基础是平均驱动自由度位移（ADDOFD）。同时本文分析了模态频率、位移、应力对消声器板厚度的灵敏度,其中板厚度的变化对应力的影响非常大,该分析结果对结构疲劳分析特别重要,任何系统都必须达到材料的应力要求,厚度的增大相应的应力也增大,’尽管增大了板的厚度可以使系统更安全,但是系统的重量也增加了,设计者必须对这些参数进行优化以达到最好的性能。位移灵敏度分析可以用来得到最佳悬挂点,模态灵敏度分析可以得到一些对乘客不适的频率,调整这些频率对避免共振非常重要。实验结果验证了理论计算的正确性,本文试验模型采用模拟自由悬挂的消声器,使用两条橡胶绳在消声器两端悬挂,24个传感器沿消声器轴向上下排列,采用锤击法对一个点激励,多点采样得到系统的传递函数,并使用LMS.TEST进行后处理。研究表明,理论值与实验值相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 INTRODUCTION
• 1.1 GENERAL INTRODUCTION
• 1.2 LITERATURE REVIEW
• 1.3 OVERVIEW OF THE DISSERTATION
• 2 MODELS REDUCTION ORDERS TECHNIQUES
• 2.1 INTRODUCTION
• 2.2 CONSTRAIN EQUATION FOR COMPONENT MODE SYNTHESIS
• 2.3 GOVERNING EQUATION OF DYNAMIC CONDENSATION MATRIX
• 2.4 NUMERICAL EXAMPLE
• 3 VEHICLE EXHAUST MUFFLER MODAL ANALYSIS
• 3.1 THE FINITE ELEMENT METHOD
• 3.2 MUFFLER AND SIMPLIFIED GEOMETRIC MODEL
• 3.3 MODAL ANALYSIS OF EXHAUST SYSTEM
• 3.4 MODAL ASSURANCE CRITERIA
• 3.5 SUMMARY
• 4 MODAL ANALYSIS OF EXHAUST SYSTEM
• 4.1 THE ESTABLISHMENT OF THE EXHAUST SYSTEM GEOMETRIC MODELING
• 4.2 MODAL ANALYSIS OF EXHAUST SYSTEM
• 4.3 THE THEORETICAL BASIS FOR SUSPENSION POINT SELECTION
• 4.4 DETERMINATION OF WEIGHT
• 4.5 SUMMARY
• 5 SENSITIVITY ANALYSIS OF AUTOMOTIVE EXHAUST MUFFLER
• 5.1 INTRODUCTION
• 5.2 BASIC THEORY
• 5.3 DETERMINATION OF STATE VARIABLES
• 5.4 DESIGN SENSITIVITY ANALYSIS OF STRESSES
• 5.5 SUMMARY OF THE SENSITIVITY
• 6 EXPERIMENTAL STUDY OF MODAL MUFFLER
• 6.1 INTRODUCTION
• 6.2 SINGLE DEGREE OF FREEDOM SYSTEM
• 6.3 MULTI-DEGREE-OF-FREEDOM （MDOF） SYSTEMS
• 6.4 MDOF SYSTEMS WITH PROPORTIONAL DAMPING
• 6.5 MDOF SYSTEMS WITH VISCOUS DAMPING GENERAL CASE
• 6.6 TEST PROCEDURE
• 6.7 EXPERIMENTAL PROCESS AND RESULTS OF MODAL ANALYSIS
• 6.8 MODAL ASSURANCE CRITERIA
• 6.9 MUFFLER COMPARISON OF EXPERIMENTAL AND THEORETICAL ANALYSIS
• 7 CONCLUSION
• REFERENCES
• ACKNOWLEDGEMENTS
• PUBLICATION
• APPENDIX A:MSC PATRAN MODE SHAPE DATA