本文论述了国内外汽车发动机开发设计的发展历程和发动机排气系统结构分析研究的现状，研究了发动机开发过程中出现问题的解决方案及目前获得的研究成果。同时根据实际的课题提出研究目的和意义，并结合企业要求提出了具体的目标和内容。首先对课题研究所涉及到的主要理论进行了分析研究，其中包括结构的模态分析理论、谐响应理论、发动机出口热负荷理论、流固耦合理论和结构优化理论。接着重点研究了排气系统的结构特点，介绍了排气系统的主要零部件以及它们之间的连接关系，并结合结构特点和企业的实际要求，提出了面向热固问题的发动机排气系统结构分析的总体研究方案。随后针对固体结构问题，重点分析了排气系统的动态特性。首先对发动机排气系统整体模态进行了计算，同时结合结构的谐响应分析研究了排气系统在共振区域附近所受到的动应力，尤其要重点分析结构开裂处的动应力大小，其中谐响应计算时所采用的载荷激励是根据企业试验获得的。最终根据振动模态和谐响应分析的计算结果，对排气系统结构的振动特性进行良好的评估。然后研究了排气系统的热问题，计算了热负荷、热变形及热应力对排气系统结构造成的影响。主要模拟了发动机稳定工况下排气系统的工作状态，并采用了流固耦合的方法对发动机排气系统的热问题进行了研究。在研究的过程中，首先模拟了排气歧管的内、外流场，得到了排气歧管内、外壁的热边界条件，再以热边界条件为载荷计算得到排气歧管的温度场，并利用温度试验验证了温度场计算结果的准确性。最终以温度场为边界条件，分析了排气歧管总成的热应力和热变形。最后，提出了解决排气系统结构的开裂问题的方法，即利用面向轻量化的结构优化方案对排气系统的结构进行了优化设计，同时对优化后的结构进行了理论计算，证明了结构优化的有效性。本文的研究成果不仅找出了发动机开发过程中排气系统结构出现问题的原因，还提出了合理的解决问题的方法，更重要的是提出的设计分析流程，为今后产品进一步开发提供程序化的支持和帮助。