某商用皮卡排气系统力学性能仿真研究

金一炜

摘 要：文章采用ABAQUS和HyperMesh软件，对某商用车皮卡排气系统进行了CAE自由模态、约束模态和强度分析，多方面校核了排气系统力学性能，结果显示排气系统避开了发动机怠速共振频率，排气系统支架最大应力小于材料屈服强度，满足设计目标。

关键词：皮卡;排气系统;力学性能

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）20-121-03

Abstract： This paper uses ABAQUS and HyperMesh software to analyze the CAE free mode， constraint mode and strength of the exhaust system of a commercial vehicle pickup. The mechanical properties of the exhaust system are checked in many aspects. The results show that the exhaust system avoids the resonance frequency of the engine idling， and the maximum stress of the exhaust system bracket is less than the yield strength， which meets the design goal.

Keywords： Pick-up truck; Exhaust system; Mechanical properties

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）20-121-03

1 引言

隨着国家城市物流业快速发展和皮卡进城限制解禁，商用车皮卡销量得到迅猛增长，而使用客户对于整车舒适性、NVH性能要求也越来越高。排气系统整车的重要组成部分，其主要由催化器转化器、消声器、排气管、吊钩等零部件组成，该系统发挥着降低噪声、减少排放污染等作用，其性能优劣直接影响整车NVH性能[1-4]，故研究排气系统力学性能指标具有重要的经济和社会意义。

本文采用ABAQUS和HyperMesh软件，对某商用车皮卡排气系统进行了CAE自由模态、约束模态和强度分析，多方面校核了排气系统力学性能，结果显示排气系统避开了发动机怠速共振频率，排气系统支架最大应力小于材料屈服强度，满足设计目标。

2 排气系统CAE模态分析

2.1 模态分析理论

结构系统固有模态频率及振型是分析结构振动特性基础，通过模态分析可确定结构的振动特性[5]。

2.3 排气系统CAE自由模态分析

本文首先对排气系统进行了自由模态分析，模型无约束，提取0-200Hz频率振型，得到图2的CAE分析结果，其中一阶垂向弯曲模态频率为3.5Hz，一阶横向弯曲模态为3.6Hz，该皮卡车型发动机怠速频率25Hz，自由模态分析结果显示避开了怠速共振带，满足目标。

2.4 排气系统CAE约束模态分析

本文对排气系统进行了约束模态分析，截取了车架纵梁部分结构，约束其全部自由度，边界示意图如图3，截取频率段与自由模态一致。

本文按照上述工况条件，得到图4的排气系统约束模态分析结果，一阶横向弯曲模态频率为8.7Hz，一阶垂向弯曲模态为9.1Hz，发动机怠速频率为25Hz，约束模态分析结果显示避开了怠速共振，满足设计目标。

3 排气系统CAE强度分析

本文对排气系统进行了强度分析，边界条件如图5所示，约束动力总成及排气吊耳车架侧全部自由度，对模型分别施加X3g，Y3g和Z5g静态加速度。

本文按照上述边界条件，对排气系统进行了CAE强度分析，得到图6分析结果，X向3g工况下，排气系统支架最大应力为60.2MPa，而在Y向3g工况下，排气系统支架最大应力为85.3MPa，在Z向5g工况下，排气系统支架最大应力为202.4MPa，汇总如表3，都小于材料屈服强度，满足设计目标。

4 结论

本文基于Hyperworks和ABAQUS软件，对某商用皮卡排气系统进行了CAE自由模态、约束模态和强度CAE强度分析，CAE分析结果表明：

排气系统一阶垂向弯曲模态频率为3.5Hz，一阶横向弯曲模态为3.6Hz，该皮卡车型发动机怠速频率25Hz，自由模态分析结果显示避开了怠速共振带，满足目标;

排气系统约束状态，一阶横向弯曲模态频率为8.7Hz，一阶垂向弯曲模态为9.1Hz，发动机怠速频率为25Hz，约束模态分析结果显示避开了怠速共振;

排气系统在X3g，Y3g和Z向5g工况下，支架最大应力都小于材料屈服强度;

总体而言，排气系统CAE验证了其力学性能满足设计目标，且最终路试通过。

参考文献

[1] 刘志恩，伍杨民等.某乘用车排气系统低背压设计与优化[J].数字制造科学，2019，17（3），167-169.

[2] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 赵凤启.某乘用车排气系统流场的分析研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[4] 刘向东.商用车仪表板横梁模态分析与验证[J].汽车科技，2015（7）： 16-19.

[5] 王岩.某商用车仪表板总成模态分析及优化设计[J].轻型汽车技术， 2011（12）：36-39.