王玉帅，樊文欣，李康

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

某圆形消声器模态及动力学有限元分析

王玉帅，樊文欣，李康

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

针对某圆形消声器筒体与进气管接口处易发生断裂的问题，运用有限元的方法对消声器进行分析研究，并提出增加波纹管和支架及去掉支架上橡胶软垫的改进方案。对比改进前后的消声器模态分析和动力学分析结果。分析表明，改进措施是合理有效的，提高消声器的工作可靠性。

消声器；模态；动力学；有限元分析

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-43-03

前言

车辆在使用过程中，受发动机振动的激励，发动机排出的气体产生脉动压力激励和车架振动激励等因素的影响，消声器筒体和排气管接口处易发生因疲劳而断裂的故障【1-2】。消声器在工作过程中受到来自不同方向的激励中垂直方向的激励主要是车辆行驶过程中来自路面的激励和发动机的上下振动，左右方向激励是由于转弯和发动机扭转力矩，前后方向的激励来自于车辆的加速和制动。相对而言，垂直方向的激励机会较多【3-5】。尤其当发动机的激励频率与消声器总成的固有频率相等或相近时，会造成消声器总成在发动机激励作用下发生共振，加大消声器焊缝连接处应力集中，甚至导致消声器断裂。同时排气系统的废气也会以脉冲压力作用在排气系统的管壁上，激发弹性构件发生振动。如果构件的固有频率与气体压力的脉动频率一致，将发生强烈共振导致消声器断裂。在消声器的设计中，目前较多地关注消声器的声学指标和压力损失指标，而对焊接处的疲劳强度与寿命考虑不多。本文针对某车型圆形消声器筒体与进气管接口处易发生断裂的问题（如图1），运用有限元法对消声器的断裂问题进行研究。

1、消声器模型的建立与改进

根据消声器的实际尺寸，采用三维软件CATIA建立并装配的消声器实体模型如图2中a图所示，改进的消声器模型如图2中b所示，所做的改进为：在图中A处增加波纹管且在B处增加支架，并去掉支架上橡胶软垫。将改进前后的模型导入到Hypermesh软件中，进行几何质量分析与修整，网格划分等。消声器网络模型如图3 所示。消声器模型材料属性如表1。

表1 消声器材料属性

2、消声器固有频率计算分析

2.1 激励频率范围

在进行模态分析时,首先要求出系统各阶固有频率和振型、模态质量或模态刚度等参数。消声器振动结构可以离散成为有限个自由度的多自由度系统【6】。本文所研究的消声器发动机所搭载的是6缸4冲程柴油机，发动机转速一般在600～2200r/min，通过公式：

其中：

n----发动机转速

i----发动机缸数

a----冲程系数，四冲程a取2，二冲程a取1。

计算得到发动机引起的振动频率为30～110Hz，所以在30～110Hz内的激励频率与消声器固有频率相同时，消声器产生共振，是消声器损坏的主要原因。

2.2 消声器固有频率计算结果

通过模态分析软件的计算分析，取改进前后的消声器结构的前6 阶（由于第7阶固有频率大于110Hz，所以不以考虑）模态进行对比，各阶模态的固有频率见表2。

表2 计算模态结果 单位：Hz

2.3 计算结果分析

由表2可知，消声器的改进对其固有频率的有所影响。改进前消声器的4、5、6阶固有频率均在发动机振动激励频率范围内，易引起消声器的共振。改进后消声器只有5、6阶固有频率在激励的频率范围内，而且第6阶固有频率相对改动之前更靠近激励频率范围的上线，降低了发动机在工作状态下消声器会产生共振的可能性。

3、消声器动力学分析

3.1 动力学分析采用方法

对消声器做出改进，不仅改变消声器的固有频率，降低共振的可能，还改变了在发动机的激励下消声器的响应。由于消声器的损坏是在进气管与消声器筒体连接处的断裂，故对消声器的动力学分析，主要考虑对进气管施加30～110Hz载荷后接口附近点的位移值，对比改进前后接口附近点的位移值变化。本文选取上（节点1327）、下（节点1745）、左（节点1308）、右（节点369）四点（如图4）的位移值做比较。

3.2 动力学仿真结果分析

经过分析得出改进前后的消声器进气口4节点分别在x、y、z方向的的位移对比图（由于篇幅限制，此处只给出上节点的位移对比图）。图中横坐标表示激励载荷的频率（30～110Hz），纵坐标表示位移值的大小（单位：mm），绿色双点划线为改进后频率响应曲线，红色虚线为改进前频率响应曲线。在节点的x、y、z各个方向上的位移值变化曲线上可以看出，改进后的消声器在激励频率范围内的最大振动位移值明显减小，消声器接口处在其激励频率为固有频率时的振动位移值明显改善。这样，就减少了消声器接口处因振动产生的破坏。

4、结论

本文针对某圆形消声器筒体与进气管接口处易发生断裂的问题，运用有限元法对消声器的断裂问题进行研究。并提出增加波纹管和支架及去掉支架上橡胶软垫的改进方案。对比改进前后的消声器的固有频率，表明改进后的消声器固有频率降低了在发动机正常激励作用下消声器发生共振的可能性。通过对比改进前后的接口处四个节点的响应位移值，可以看出改进后的消声器在接口处的频率响应明显优于改进前的消声器。分析表明，改进措施是合理有效的，提高消声器的工作可靠性。

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The dynamics and modal finite element analysis of a circular muffler

Wang Yushuai, Fan Wenxin, Li Kang
（College of Mechanical & Power Engineering, The North University of China, Shanxi Taiyuan 030051）

Aiming at the problem of fatigue fracture at the welding between muffler cylinder and inlet pipe, the finite element method are used to analyze the cracked muffler. An improvement scheme of increasing bellows and bracket and removing the rubber cushioned is proposed. Meanwhile the modal and dynamic analyses are done for the muffler before and after the improvement. Results of analysis show that the improvement measures are reasonable, and the reliability of the muffler is raised.

Muffler；Modal；Dynamic；Finite element method

U463.6

A

1671-7988(2015)01-43-03

王玉帅，硕士研究生，就读于中北大学机械与动力工程学院，主要研究方向车辆振动与噪声。