面向振动问题的排气系统结构设计研究

摘要

排气系统是发动机动力总成中不可缺少的一部分，排气系统一方面承受来自发动机振动激励和经车架传来的路面不平激励，使排气系统产生振动；另一方面排气系统的振动又会通过悬挂支撑元件传递到车架，影响整车的舒适性。故而对排气系统的振动分析非常有必要。 本文是从企业自主研发过程中遇到的实际问题出发，首先分析了国内外有关发动机设计开发和排气系统结构分析研究的现状，并根据企业总体要求，明确了研究的目的和意义，提出了研究的目标和内容。在分析了排气系统的结构特点和工作环境之后，制定了面向振动问题的发动机排气系统结构设计研究的总体方案；其次分析介绍了所涉及到的振动基础理论，包括多刚体动力学理论、连续体振动基础理论、发动机振动的激振力来源和结构优化设计理论；接着根据总体的研究方案，基于虚拟样机技术建立发动机的振动参数化模型，提出了一种新的气缸压力简化方式，并结合振动试验对发动机振动模型进行了调整和验证，结果表明发动机的振动模型与实际情况有较好的契合度；然后对排气系统结构采用有限元法进行模态分析，并以发动机六个方向的激励对整体结构进行了频率响应分析和瞬态响应分析，结果表明排气系统结构振动特性不佳，出现开裂失效的位置动应力较大；最后从改善结构动态特性的角度，使用形状优化的方法，对排气接管、接管支架和消声器的连接区域进行优化，优化后结构的固有模态频率增大，有效地避开了激励频率范围，响应的动应力明显下降，且具有一定的轻量化效果，解决了企业遇到的问题。 本文不仅较好地解决了企业设计开发中遇到的实际问题，而且提出了一种更为切实可行的发动机振动仿真方法、排气系统结构振动分析方法和结构优化设计方法。论文为解决此类问题提出了一套较完整的设计流程，为今后产品的设计开发提供了流程化的方案和数据参考。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 研究目标和内容

第2章 排气系统结构分析及总体方案确定

2.1 发动机基本参数

2.2 排气系统结构分析

2.3 排气系统结构的失效问题及前期原因排查

2.4 总体研究方案确定

2.5 计算平台确定

2.6 本章小结

第3章 振动基础理论分析

3.1 多刚体动力学分析理论

3.2 连续系统振动基础理论

3.3 发动机振动基础理论

3.4 结构优化设计基础理论

3.5 本章小结

第4章 发动机振动试验及仿真分析

4.1 发动机振动试验

4.2 发动机振动模型建立

4.3 发动机振动响应分析

4.4 发动机振动模型精细化研究

4.5 本章小结

第5章 排气系统结构振动分析

5.1 排气系统结构有限元模型建立

5.2 排气系统结构模态分析

5.3 排气系统结构频率响应分析

5.4 排气系统结构瞬态响应分析

5.5 本章小结

第6章 排气系统结构优化

6.1 排气系统结构形状优化

6.2 排气系统结构优化后振动分析

6.3 本章小结

第7章 结论

7.1 研究总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

研究生期间的研究成果