摘 要

摩托车作为交通工具之一，在中国大陆地区上保有量已达9000万辆，是全球摩托车最大的生产国和消费国之一。而摩托车的排气系统作为摩托车不可或缺的一部分，其使用性能关乎驾驶者的驾驶体验及摩托车寿命。

随着科技的进步，在面对类似于摩托车振动及噪声优化之类的问题时，现在可以利用发达的计算机技术来提高解决问题的效率。而如今世界上有各种建模及仿真分析软件，如CATIA、SolidWorks及ANSYS等。它们对于本文的研究对象，即摩托车排气系统的分析，能起到满足工程应用需求级别的虚拟仿真与计算，极大地提高了设计效率。

本论文首先利用CATIA软件建立摩托车排气系统模型，再使用ANSYS软件对某摩托车排气系统的静应力、热应力以及两者耦合进行了分析，得出其在给定载荷下的应力及变形云图，发现不合理的结构会导致消声器支架发生断裂的问题。由此，为了加强该排气系统的使用性能，故对原有方案进行多次修改直至使支架不会发生断裂且所受最大应力在材料的极限应力范围内。

然后通过对原有方案增加过渡圆弧面来增强支架结构强度，经本文研究表明，少量增加圆弧面对降低应力峰值、改善应力集中有明显帮助，但是对于降低扭转力矩及变形情况则帮助不大。而增加多个圆弧面能有效加强构件的抗弯能力，但是对于降低应力峰值及改善应力集中则没有太大效果。又因为增加多个圆弧面仍能使支架工作在材料极限应力范围之内且能有效改善支架变形断裂的问题，因此得出增加多个圆弧面更能提高摩托车排气系统支架使用性能的结论。

最后，在对三种设计方案进行全面的比较和分析之后，得出了一些对于结构设计与优化方面的结论，并可以为后续设计提供部分指导与建议。

关键词：静应力分析，摩托车排气系统，有限元分析，热应力分析

Abstract

Motorcycles, as one of the means of transportation, have a total of 90 million vehicles in mainland China, and are one of the largest producers and consumers of motorcycles in the world. The exhaust system of motorcycle is an indispensable part of motorcycle, and its performance is related to the driver's driving experience and motorcycle life.

With the progress of science and technology, in the face of problems like motorcycle vibration and noise optimization, we can now use advanced computer technology to improve the efficiency of solving problems. Nowadays, there are various kinds of modeling and simulation analysis software in the world, such as CATIA, SolidWorks and ANSYS. Their analysis of the motorcycle exhaust system, which is the research object of this paper, can play a virtual simulation and calculation to meet the needs of Engineering applications, and greatly improve the design efficiency.

Firstly, the model of motorcycle exhaust system is established by CATIA software. Then, the static stress, thermal stress and their coupling of a motorcycle exhaust system are analyzed by ANSYS software. The stress and deformation picture of a motorcycle exhaust system under a given load are obtained. It is found that the unreasonable structure will lead to the fracture of the muffler bracket. Therefore, in order to enhance the performance of the exhaust system, the original scheme is modified several times until the bracket does not break and the maximum stress is within the limit stress range of the material.

Then, by increasing the transition arc surface in the original scheme to enhance the strength of the support structure, the research in this paper shows that a small increase in the arc surface is helpful to reduce the peak stress and improve the stress concentration, but it is not helpful to reduce the torsion moment and deformation. Adding more than one arc surface can effectively strengthen the flexural capacity of members, but it has little effect on reducing the peak stress and improving the stress concentration. Adding multiple arc surfaces can still make the bracket work within the limit stress range of the material and effectively improve the deformation and fracture of the bracket. Therefore, it is concluded that adding multiple arc surfaces can improve the performance of the bracket of motorcycle exhaust system.

Finally, after a comprehensive comparison and analysis of the three design schemes, some conclusions on structural design and optimization are drawn, which can provide some guidance and suggestions for the follow-up design.

Key Words：Static stress analysis, Motorcycle exhaust system, Finite element analysis, Thermal stress analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第 2 章 基本理论介绍 5

2.1 有限元概述 5

2.1.1 使用条件 5

2.2 应力基本理论 5

2.2.1 应力的概念 5

2.2.2 应力分析基本理论 6

2.3 热力学基本理论 7

2.3.1 热传导 7

2.3.2 热对流 7

2.4 本章小结 8

第 3 章 排气系统模型建立与检验 9

3.1 排气系统模型建立 9

3.2 模型模态分析验证 10

3.3 网格划分质量分析 12

3.3.1 网格评价指标 12

3.3.2 网格质量评价 12

3.4 本章小结 13

第 4 章 排气系统应力分析 14

4.1 排气系统静应力分析 14

4.1.1 静应力分析步骤 14

4.1.2 静应力结果及其分析 16

4.2 排气系统热应力分析 18

4.2.1 热应力分析步骤 18

4.2.2 结果及其分析 19

4.3 排气系统结构综合分析 21

4.3.1 综合分析步骤 21

4.3.2 综合结果与分析 22

4.4 本章小结 24

第 5 章 排气系统结构优化设计 25

5.1 方案B设计与分析 25

5.1.1 方案B修改内容 25

5.1.2 方案B应力分析 25

5.2 方案C设计与分析 30

5.2.1 方案C修改内容 30

5.2.2 方案C应力分析 31

5.3 本章小结 35

第 6 章 全文总结与展望 36

6.1 全文总结 36

6.2 展望 36

参考文献 38

致谢 39

绪论

研究背景及意义

摩托车作为主要的交通工具之一在我国具有相当大的保有量，虽然近年来摩托车销量总体呈下滑趋势，但摩托车仍然具有相当大的研究价值。对于摩托车振动分析及优化的问题首先来源于汽车。汽车产业在中国已经具有相当大的规模，因此对于汽车各方面的质量要求都日益严苛，汽车的振动作为影响舒适性的一大因素正受到消费者的密切关注，许多汽车公司都开始在这方面加大研究力度，以能够在激烈的竞争中占得先机。因此汽车的振动性能将是消费者与汽车制造商最关注的性能之一。政府法规对汽车振动的要求越来越高。在这种密切关注的大环境下，相关汽车公司还有大学学术机构等都着手研究对于汽车排气系统性能的优化。

同样地，如今摩托车在我国拥有高普及率，然而排气系统由于受到摩托车发动机激励以及路面激励等因素的影响，在其支架处容易产生破坏应力，加速其磨损，同时也会对排气消声器的消声性能带来巨大的影响。

随着消费者对摩托车性能及舒适性要求的不断提高，再加之经济全球化对国内摩托车市场的冲击，能否抢先解决摩托车振动优化的问题是占据市场主导地位的关键。摩托车排气系统主要依靠支架上两个螺栓孔与车体进行连接，而摩托车的消声器中的振动则会对支架孔带来破坏性载荷。不同于普通的轿车用发动机的排气系统，摩托车的排气系统与之相比更加复杂。它具有多个自由度，并且通过它特殊的结构以实现对气流压力和速度的控制，最终达到减弱噪声的目的，这也不可避免的增加了排气系统中的破坏应力。因此，若摩托车排气系统结构不合理，不仅无法达到减弱噪声的目的，甚至可能使噪声加剧，振动加大，构件内的破坏应力增大，使发动机运行工况恶劣，降低其有效功率，还有可能造成消声器断裂，影响整车使用寿命。

千里之堤，毁于蚁穴。通常建筑物中的内应力往往是导致其损毁的主要因素。而这些破坏性应力往往是因为结构发生变化或者本身结构设计存在缺陷导致的。在摩托车的排气系统中，因为其悬挂点的位置引起的消声器固有频率的变化也会对此产生影响。因此，通过合理的支架结构设计来减少摩托车排气系统中因振动而产生的破坏应力具有重要的意义。本文通过CATIA软件构建出摩托车排气系统消声器模型，导入到ANSYS进行机械应力及热应力分析。通过修改部分结构进行多种方案进行对比，得到最优方案。

国内外研究现状

在国外有很多优秀的研究学者对汽车或者摩托车整车及排气系统作除了相关的振动以及机械应力分析，也提出一些有限元结构分析的独特的方法。

J. Suwa等为了尽量避免摩托车在运行过程中发生的共振，需要测量其振动频率以及振动幅度，因此需要对摩托车排气系统建立有限元模型再分析。通过实验数据作为边界条件对建立的有限元模型进行校正，还对摩托车上的消声器进行了模态分析得到了其固有频率以及振动类型。得出了预测其系统振动所需的有限元建模技术^[1]。

Hiroyuki Kuwahara通过积木法和有限元分析法预测摩托车的振动，凭借实验所得的数据建立数据库，得到了精确度足够高的连接器和阻尼特性。利用分析所得出的应变能的分布，可以有效找到需要改进的部位。通过合理的声学分析，有效节省了开发时间，提高了设计效率^[2]。

Hiroshi Kuribara开发了一种可以在设计阶段预测摩托车排气系统疲劳强度的方法，即一种有限元建模技术。这个方法中同时考虑了摩托车在行驶过程中受到的振动应力、温度分布、热应力和疲劳安全系数。利用有限元分析的方法通过热传导和热变形来分析排气系统中的热应力，用柔性多体动力学来获得摩托车的振动特性，通过模拟发动机循环和周围气流得到用于分析的温度场。最后将计算所得的结果与实验进行比较来校正这种有限元建模技术^[3]。

Guo You Hu等对摩托车排气系统进行了有限元分析，搭建其模型并进行了模态分析和瞬态响应分析，通过Hypermesh软件得到了六个系统的固有频率。同时，还改变安装点附近的瞬态激励作瞬态响应分析和后面的加速度RMS变化进行了比较。文章最后还验证了优化后的结果可靠性，并在下一步发现了能有效降低噪声的基础 ^[4]。

Mizuho Inagaki等进行发动机运行测试和激励测试以揭示与涡轮增压器的运转声音相关的涡轮增压器-排气系统中的振动行为。涡轮增压器-排气系统在转子的运行速度范围内具有六个共振频率。在共振速度下，整个涡轮增压器由于排气歧管的弯曲和扭转偏转而平移或旋转。根据试验结果，可以通过具有六个自由度的刚体弹簧模型很好地模拟振动行为。为了确定用于减小振动和声音的结构设计方向，使用刚性车身弹簧模型分析分析刚性对排气系统的影响^[5]。

同样地，在国内也有一些优秀的学者对排气系统进行了模态分析或者是结构优化，并取得了一定的成果。

侯献军等进行了排气系统静力学分析，显示通过Hypermesh软件得到排气系统的有限元网格模型然后进行了静力学计算和模态分析。通过发动机激励频率公式得出其激励频率与计算的故有频率不同的结论，可以避免共振的发生，表明了其良好的动态特性 ^[6]。

陆文峰通过改变排气系统悬置点的位置改进了来改变其固有频率以达到和发动机激励频率错开的效果。通过Hypermesh进行网格划分得到满足工程要求的网格，并利用实验数据和模态分析结果进行对比检验了模型的可靠性，最后提出改进措施。通过改变悬挂点的位置，来比较改动前后加速度均方根的大小，得出结构响应幅度降低、振动性能良好的结论 ^[7]。

邢素芳等研究某轻型货车的排气管开裂及整车振动噪声较大的问题。通过MSC/NASTRAN有限元程序对排气系统模型进行模态计算，并得到了排气系统前5阶的模态频率及振型。通过数据得出第四模态下的振动发生在排气尾管，这也是造成尾部弯管断裂现象的主要原因。文章最后采用改变排气系统刚度的方法，即把刚性连接改成波纹软管连接等措施。经改变后，发动机固有频率显著降低，远离发动机的工作频率范围^[8]。

刘文礼对某一特定的摩托车进行测量，首先分析了消声器的结构参数对其性能的主要影响，包括扩张比、插入管的长度、扩张腔的长度以及端口的圆角等。通过计算传递损失曲线来对模型进行置信度检验得出了消声器低频消声效果差的结论。最后通过在第三腔体后增加赫尔姆霍兹共振腔作为第四腔体来改善低频消声效果，还在尾端增加穿孔管、延长插入管长度来提高消声性能 ^[9]。

胡蓉为研究摩托车存在的消声器断裂问题，进行了摩托车底盘测功机试验。从发动机激励频率、发动机振动、消声器过约束和路面激励四个引起断裂的方面进行了研究。主要研究了摩托车整车在行驶过程中的受力状况并分析出断裂原因，从而针对性地进行了整改，主要是改变消声器安装方式以及加厚消声器隔振套与隔振层^[10]。

周孜亮等运用ANSYS Workbench对主轴箱进行了有限元分析及优化设计。通过建模、划分网格、设置边界条件等步骤完成了对主轴箱的静应力分析和模态分析。运用Six Sigma判定原则和全局变量法找到了对重量影响最大的影响因子再对其进行调整，最后对比调整前后的静动态特性得出最佳优化方案^[11]。

杨龙宝利用ANSYS Workbench对汽车盘式制动器进行了分析。首先分析对象有油缸、制动盘以及摩擦片，分别计算它们的结构静力并分析得出满足使用条件的结果。然后分别对模型得支架以及钳体进行模态分析指出频率变化明显的区域以期在设计阶段改变薄弱部位的形状及尺寸达到更好的性能。最后对制动器进行瞬态热分析得出了制动盘和摩擦片的摩擦散热规律，说明了热衰退现象对制动的影响，解释了实际摩擦片偏磨的现象^[12]。

曹占龙等建立了EAST中性束注入器样机主真空室的有限元模型并通过ANSYS软件分析其受力情况。主真空室分为三段，且每段材料和受力均有差异，因此分别对三段放置在地面上和整体连接放在导轨上两种工况下对最大等效应力进行考量得出稳定和安全的结论。以上的分析结果为后续结构优化提供了依据。最后分别通过制作离子源、制作真空插板阀支撑来减少受力、改变构件的安装角度和选用更高强度的材料来解决受力过大的问题^[13]。

张强建立了乘用车内部的有限元模型。从分析的发动机气缸压力实验数据中提取发动机的励磁谱，得到发动机励磁的频谱。然后，分析装饰体的振动传递路径，并获得由发动机的激励引起的若干振动传递路径。最后，优化了具有很大影响的路线，以减少该路线上的振动传递量^[14]。

张袁元在噪声测试中，准确识别摩托车主要噪声源是降低整车噪声的关键。本文结合声压测试与声强识别技术对摩托车进行了整车声源的识别，利用有限元分析手段对消声器性能进行了分析改进，试验验证表明能取得较好的效果。后面分析了原消声器的空气动力学性能和声学性能，得出消声器在低频消声效果较差的结论，尤其是在600-1000Hz为改进重点。后面再通过空气动力学和声学仿真进行改进设计，通过改进消声器的结构来降低噪声，能达到1dB的降噪效果^[15]。

本文主要研究内容

本文利用CATIA软件建立摩托车排气系统模型，在不影响排放的前提下，通过分析其工作环境，提出对排气消声器支架的结构优化措施和方案，获得具有更高的可靠性的排气系统。通过了解排气系统结构及发动机振动特性，掌握结构设计基本理论并借助CATIA、ANSYS软件建立模型，综合考虑发动机激励、路面激励、排气温度等因素的影响，对摩托车排气系统进行机械应力及热应力分析，综合对比几种不同方案，选取最优支架结构使整个系统具备更好的可靠性。

基本理论介绍

有限元概述

工程上，为了对一复杂系统进行足够精度的分析，往往采用有限元分析法(FEA)，得到满足要求的近似解。有限元分析利用数学的方法对施加了载荷或某一工况下的真实模型进行模拟，利用简单而又相互作用的元素，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

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