汽车排气系统的快速振动分析

车辆排气系统的机械振动，能够引起舱内噪音和结构的耐久性。为了减少评估新的排气系统所花的时间，总部位于英格兰Warton的Arvin排气研发机构，委托FEA有限公司的咨询部研发Arvin模态分析程序（AMAP），来作为已经在使用的LUSAS Analyst软件的扩展。通过使用AMAP，新提议的排气系统的振动行为，能够比手工模拟或其它自动化方法更快地被评估，而且花费的时间被减少50%.

因为动力学模型要求对复杂的半组装件进行高度理想化的模拟，所以对组件层次分析需要使用不同的方法，这意味着完全的三维CAD模型是不合适的。相反，一个部分自动化的“自上而下”的方法被采用，在此种方法中AMAP为模型的创建和验证、分析设置和后处理，提供了一个严格的框架。这使得分析过程有序而连续地进行。此外，对于这种类型的动态分析，必须模拟完整的排气装配——包括引擎和歧管的模拟。这是因为动态激励主要是由引擎内不平衡的力组成的，此时强迫振动响应的计算是**可行的.

为了模拟排气系统，所有管道和消声器中心线的坐标需要被定义。这可以通过在AMAP中使用表格，或从CADDS V模型中通过一个ASCII文件输入中心线数据来实现。一旦被定义，组成管道的中心线被生成，或者消声器能够在图形上被选择，提供了一个表格，来输入管道直径、厚度以及弯曲半径.

消声器盒以类似的方式定位在管道上。因为这些组件在内部是很复杂的，所以比较少使用自动化模拟。然而，大部分模拟还是由AMAP提供。屏幕显示的窗口被用于定义消声器管或隔板尺寸、穿孔格局、堆积密度、端板细节等。消声器组件之间的连接使用弹簧来模拟，如此以至于灵活的铰接或滑动的连接能够被定义。一个非常有用的“部分分解图”工具，可以帮助定义这些弹簧，它在屏幕上把消声器分成多个组件，这样弹簧可以很方便地从图形上插入。AMAP根据所输入的数据，自动地定义并设置所有质量和刚度属性数据到模型上。另一个有用的工具是“迹线”，可以显示消声器和转换盒的轮廓.

除了管道、消声器、催化式排气净化系统和排气歧管，引擎/传动装配的刚性质量描绘，包括连接的装配和排气系统架，都能够单独地被定义，并添加到模型中。在横向固定的引擎中，引擎和排气系统之间的“铰”，也必须解耦引擎的运动。关节和波纹管式解耦器对排气系统的动态响应，有显著的影响，因此建模的时候需要非常仔细。具有轴向、弯曲和剪切能力的梁单元，被用于模拟波纹管式连接，而弹簧单元被用于模拟关节结点.

对于动态分析模型，仔细核查是非常重要的。在动态响应预测中对质量或刚度错误的模拟，可能比静态分析中一个简单的错误有更大的影响。在AMAP的开发中做了大量的努力，来帮助模型的检验。在模型的创建过程中，AMAP追踪并控制着属性数据的编号，这样当模型完成后，一个带注解的属性表格被生成。程序也创建出图形，来显示模型中设置给所有特征的属性。这样的表格和图形对模型进行了完整的描述，方便了全面的检查。通过运行LUSAS分析，进一步的检验数据被提供，包括材料的总质量和重心。因为每个组件都设置了不同的材料，所以每个消声器的质量等特性都可以随时被检查.

LUSAS提供了许多不同的特征求解器，来进行固有频率分析。AMAP会自动地选择对排气系统模型*有效的求解器。一旦特征值分析被完成，AMAP将生成一套完整的带注释的模态振型图形。对交互式观察，全屏的模态振型动画也被生成。LUSAS结果处理特征包括用于计算交互式动态响应的工具，计算采用先前得到的质量标准化特征模态。AMAP能够调用这个工具，自动地生成临界响应位置的频率响应函数，例如底盘附着点.

对于模态分析，分析模型能够反映物理系统的真实行为是非常重要的。为了检验需要，Arvin排气研发机构使用LMS模态测试软件，来测量并提取选择的原始模型的模态振型和频率，与AMAP/LUSAS的预测结果进行对比。LMS输出工具能够提供CADA-X格式的网格划分和模态振型数据，这能够帮助LUSAS检验相关性过程。在AMAP中的许多模拟技术和规则能够逐渐发展，并期望在未来，这个过程将继续下去.

"我们对新提议的排气系统的评估，现在至少比以前快两倍，而且获得的结果精度更高。"

Ian Rutherford, CAE Team Leader, Arvin Exhaust R&D