本文利用Hyper Works软件的Optistruct工具对某汽油机排气歧管子系统进行模态分析、优化，并验证优化模型，之后测量驾驶员右耳处的噪声声压级，对比优化前后的声压级。结果表明：经过模态优化的排气歧管子系统其固有频率分布合理，驾驶室噪声有较大的改善。

发动机排气歧管子系统是承接高温高压的燃烧废气，并将有害气体进行催化转化从而控制排放的关键系统。该系统通过排气歧管螺栓连接在缸盖上，直接受到发动机结构振动的激励，如果自身刚度设计不合理，就容易与发动机主要阶次发生共振。同时，该系统通过吊钩悬挂在整车车身上，这也容易将振动传递到车身，造成车身的振动，继而引起驾驶室的轰鸣声。此外，排气歧管罩以及催化器隔热罩是发动机上典型的罩壳类零件，壁薄、表面平整且面积大，是发动机表面噪声辐射源之一。

在对某车进行全油门加速试验时，在发动机的转速为3000～4000r/min时，主观感受到明显共鸣音。在驾驶员右耳处的噪声测量结果显示了共振带。试验中，在将排气歧管子系统螺栓松掉后，声品质有了较大的改善。因此将分析的目标定位为排气歧管子系统。

应用模态分析的方法确定声品质较差的原因为排气子系统与发动机点火频率共振，并利用Hyper Works软件Optistruct工具，对排气歧管子系统进行模态优化分析，将模态频率进行合理分布，避免和发动机主阶次频率重叠。在模态优化的基础上制作样件，在试验中检验优化效果。

模态分析

模态分析建模需要关注的参数是各零部件的质量分布，以及材料的弹性模量。通过对三维数模进行详细的网格划分，并赋予准确的材料密度来保证质量分布。

1. 网格划分

采用实体单元和壳单元混合建模的方法。排气歧管、催化器、法兰和排气歧管支架采用实体单元；排气歧管隔热罩和催化器隔热罩采用壳单元；零部件之间的连接用Bar单元和RBE2单元来模拟（螺栓质量已被考虑在内）。

2. 边界条件

模拟排气歧管在整车上的装配状态，约束排气歧管法兰及支架的三个移动自由度（见图1）。

3. 模态分析结果

第一阶模态振型为全局弯曲，频率为118.47Hz（见图2），此数值与发动机转速为3000～4000r/min时发动机二阶频率接近（100～133.3Hz），容易发生共振，因此需要对支架进行加强，提高整体一阶频率值。

第二阶模态振型歧管隔热罩局部振动（见图3），第三阶模态振型催化器隔热罩局部振动（见图4）。第二、三阶模态固有频率接近4000r/min时发动机的四阶频率266.6Hz，容易被激振，这两阶模态振动对这个频率的噪声有较大贡献，应该对此两阶模态进行优化，以避开此频率。

模态优化及结果

1. 模态优化设置及方案

用topography对排气歧管隔热罩和催化器隔热罩进行冲压筋优化，以提高隔热罩的模态固有频率。具体优化方案如下所述：

（1）在大支架上加翻边，同时将大支架和小支架的厚度从2mm加厚到4mm（见图5）。

（2）在排气歧管隔热罩上加约束点和加强筋（见图6）。

（3）将催化器隔热罩加冲压筋（见图7）。

2. 优化后的计算结果

方案1：通过支架翻边和板材增厚的措施，可以提高全局一阶模态固有频率到154.17Hz，此频率为4000r/min时发动机二阶频率的1.16倍。

方案2：通过将排气歧管隔热罩加冲压筋和约束点，可以提高排气歧管隔热罩一阶频率到310.07Hz，此频率为4000r/min时发动机四阶频率的1.16倍。

方案3：通过在催化器隔热罩上加冲压筋，可以使催化器隔热罩一阶模态固有频率提高到598.73Hz，避开了前六阶激励。

试验验证

1. 试验说明

试验设备使用LMS Test Lab振动噪声测量仪。测点位置选为驾驶员右耳，工况为油门全开全加速。

2. 实验结果对比

原系统一阶频率为118.47Hz，容易被发动机二阶频率激振，由于发动机二阶能量大，且隔热罩辐射噪声能力也比较强，所以该频段范围内二阶噪声较大（见图8）。优化后的排气歧管子系统二阶次噪声声压级明显降低（见图9）。

原模型第二、三阶模态频率（278.49Hz、284.19Hz）和试验测量的283Hz的共振频率接近，因此催化器隔热罩和排气歧管隔热罩的一阶振动是引起图8所示283?Hz共振带的主因。由图9可以看出，优化后283Hz共振带上的噪声声压级明显降低。

结论

本文通过模态优化分析和噪声对比试验可以得出以下结论：

（1）应用Optistruct对薄板类零部件进行模态优化，能够合理布置加冲压筋，从而提高其模态固有频率，规避发动机主要阶次，降低零部件振动及辐射噪声。

（2）在零部件设计流程中加入模态优化分析可以提高零部件的设计成功率，提高效率。