許 凱，曾發(fā)林

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于LMS與ANSYS Workbench的排氣系統(tǒng)懸置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

許 凱，曾發(fā)林

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了分析吊耳剛度對(duì)排氣管振動(dòng)的影響，提出了一種基于LMS PolyMax及ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先建立了排氣管的三維實(shí)體模型以及有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析；其次,利用LMS軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，通過(guò)計(jì)算模態(tài)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性；最后，利用修正后的有限元模型，以排氣系統(tǒng)的一階固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用ANSYS Design Explorer對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)排氣管的一階固有頻率從23.73 Hz提高到34.9 Hz，從而避開(kāi)了怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，為排氣系統(tǒng)的減震、降噪提供了重要依據(jù)。

排氣管；PolyMax；ANSYS Workbench；優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)排氣系統(tǒng)是汽車(chē)整體構(gòu)成中不可缺少的部分。排氣管通過(guò)波紋管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，通過(guò)吊掛件與車(chē)架或車(chē)身相連。由于汽車(chē)受到激勵(lì)源影響導(dǎo)致排氣系統(tǒng)的振動(dòng)比較大，因此如何降低排氣尾管的振動(dòng)與噪聲成為長(zhǎng)期的研究方向[1]。本文基于LMS與ANSYS Workbench對(duì)排氣系統(tǒng)吊耳的剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 汽車(chē)排氣系統(tǒng)仿真模型建立

1.1 汽車(chē)排氣系統(tǒng)的組成

排氣系統(tǒng)是指與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的排氣多支管到排氣尾管各個(gè)部分結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)包括：排氣多支管、三元催化器、柔性管、主消聲器、副消聲器、中間連接管、尾管、掛鉤、吊耳等部件[1-2]。如圖1所示為雙排氣管排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。排氣系統(tǒng)的一端通過(guò)多支管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端通過(guò)掛鉤與車(chē)體相連[3]。

圖1 雙排氣管排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 排氣系統(tǒng)幾何模型的建立

本文研究的排氣系統(tǒng)為雙排氣管，由三元催化器、柔性連接、消聲器、連接管、吊鉤、法蘭和尾管組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。建模時(shí)的坐標(biāo)定義為：以排氣管的安裝位置為基準(zhǔn)，車(chē)的前進(jìn)方向?yàn)閤方向，駕駛員左手指向?yàn)閥方向，垂直向上為z方向[4]。

圖2 雙排氣管排氣系統(tǒng)的CATIA模型

2 排氣管模態(tài)的分析

2.1 排氣管試驗(yàn)?zāi)B(tài)的分析

本文根據(jù)實(shí)際雙排氣管排氣系統(tǒng)的實(shí)際模型進(jìn)行約束模態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于排氣管的長(zhǎng)度比較大，質(zhì)量剛度分布不均，所以布置了50個(gè)激勵(lì)點(diǎn)和12個(gè)三向傳感器即36個(gè)響應(yīng)方向。為保證實(shí)驗(yàn)的可靠與準(zhǔn)確性，響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)均設(shè)置在剛度和質(zhì)量比較大的地方。將排氣管前端與發(fā)動(dòng)機(jī)固聯(lián)，前中后3個(gè)位置6個(gè)掛鉤位置通過(guò)吊耳與車(chē)體相連。采用實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備LMS進(jìn)行信號(hào)采集，利用LMS Test.Lab中的PolyMax進(jìn)行模態(tài)提取與分析。

排氣管的前6階振型如圖3所示。從模態(tài)振型中能夠輕易分辨出排氣管的振動(dòng)情況，例如第1階固有頻率為22.45 Hz，排氣管的振動(dòng)為繞z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)與沿x方向的耦合振動(dòng)。可以通過(guò)相關(guān)手段改變一階固有頻率的值，從而避免與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率相近，減小排氣管怠速共振的可能。

圖3 排氣管前6階模態(tài)振型

2.2 排氣管計(jì)算模態(tài)的分析

本文根據(jù)實(shí)際排氣系統(tǒng)模型建立CATIA三維模型，在將三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench的DM模塊中進(jìn)行仿真分析前處理，去掉一些碎面且合并一些分離的面，使得畫(huà)出的三維模型更接近實(shí)際模型[5]。模型處理好后導(dǎo)入Ansys Workbench中的DS模塊中進(jìn)行有限元分析。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)需輸入物體的密度、彈性模量、泊松比等一些材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]。本文所仿真的材料為鋼，其密度為7 900 kg/m3，彈性模量為2.01×1011Pa，泊松比為0.30。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)不同部分進(jìn)行了不同處理，例如前后消聲器和三元催化器的網(wǎng)格質(zhì)量較高，單元大小為5 mm。

2.3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)的對(duì)比

試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)前10階固有頻率對(duì)比如表1所示。從表1可以看出：計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)的前10階固有頻率誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明本文的模型建立正確，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。

表1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)固有頻率對(duì)比

3 排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)

排氣系統(tǒng)的激勵(lì)源主要是發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)汽缸做的功引起的。怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的2階往復(fù)慣性力為主要激勵(lì)力，它的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)有關(guān)[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的激勵(lì)頻率依據(jù)下式計(jì)算：

其中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；z為發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)。一般對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速一般在700～1 000 r/min之間，怠速時(shí)的激勵(lì)頻率一般在25～28 Hz之間[8]。

3.2 優(yōu)化參數(shù)與目標(biāo)的選取

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率在25～28 Hz范圍內(nèi)，而排氣管的1階和2階固有頻率均在28 Hz以下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下，排氣管會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，該振動(dòng)對(duì)乘客的舒適性以及排氣管的疲勞均會(huì)產(chǎn)生較大的影響[9]。因此，本文建立的目標(biāo)函數(shù)如下：

其中x1,x2, …,xn為參數(shù)變量。將排氣系統(tǒng)的1階固有頻率作為優(yōu)化目標(biāo)。針對(duì)已成型的排氣管如果改動(dòng)其掛鉤的位置，位置變化不能太大，可能對(duì)優(yōu)化的結(jié)果和后期的加工不是很理想。本文以掛鉤吊耳的剛度為優(yōu)化參數(shù)。

3.3 優(yōu)化過(guò)程與結(jié)果

利用ANSYS workbench中Design Explorer模塊進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)一般需要以下步驟：定義設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量，查看響應(yīng)分析、優(yōu)化分析、求解并驗(yàn)證[10]。

本文將前、中、后6個(gè)吊耳的z向剛度作為優(yōu)化變量，其中：p1代表左前吊耳剛度；p2代表右前吊耳剛度；p3代表左中吊耳剛度；p4代表右中吊耳剛度；p5代表左后吊耳剛度；p6代表右后吊耳剛度。計(jì)算得到的約束模態(tài)1階固有頻率為23.74 Hz。將每個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值設(shè)定為10～50 N/mm。通過(guò)ANSYS workbench中優(yōu)化模塊的分析，其靈敏度圖如圖4、響應(yīng)面圖如圖5所示，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖4和圖5中可以看出：前吊耳剛度和中吊耳剛度對(duì)排氣系統(tǒng)固有頻率影響較大，其靈敏度較高。因此，如果只改變較少參數(shù)，而獲得最大的改善效果，則改變左前吊耳剛度以及右前吊耳剛度效果最佳。從表2中可以看出：改變吊耳剛度后，排氣系統(tǒng)的固有頻率較優(yōu)化之前有所提高，從而避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率。

圖4 優(yōu)化變量的靈敏度圖

圖5 優(yōu)化變量及目標(biāo)的響應(yīng)面表2 數(shù)據(jù)改變前后對(duì)比

參數(shù)改變前改變后p1/(N·mm-1)20.945.2p2/(N·mm-1)20.932.3p3/(N·mm-1)23.448.2p4/(N·mm-1)23.419.8p5/(N·mm-1)17.649.6p6/(N·mm-1)17.614.81階固有頻率/Hz23.7334.9

4 結(jié)論

本文針對(duì)排氣管的約束模態(tài)時(shí)，改變吊耳處垂向剛度進(jìn)行研究，通過(guò)靈敏度分析可以發(fā)現(xiàn)，前、中兩側(cè)剛度對(duì)排氣管一階頻率影響較大。通過(guò)對(duì)排氣管吊耳垂向剛度的優(yōu)化，系統(tǒng)的一階固有頻率從23.73 Hz提高到34.9 Hz，從而避開(kāi)了怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，排氣系統(tǒng)在怠速時(shí)將不會(huì)發(fā)生共振。本文的研究方法可以推廣到新車(chē)型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)排氣系統(tǒng)懸置參數(shù)的選擇以及制造具有參考意義，可以很大程度上縮短開(kāi)發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)成本。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Optimization Design of Suspension Parameters of Exhaust System Based on LMS and ANSYS Workbench

XU Kai, ZENG Falin

(School of Automobile and Traffic Engineer, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to analyze the impact of lug stiffness for exhaust pipe vibration, the optimal design method was mentioned based on the LMS PolyMax and ANSYS workbench. Firstly, the three-dimensional solid model and the finite element model of the exhaust pipe were established, and the constraint modal analysis was done. Secondly, the experimental modal analysis of the exhaust system was made by using the LMS software. By comparing calculated and experimental modal, it verifies the correctness of the model. Finally, the first natural frequency of the exhaust system was made as the optimization objectives by using the corrected finite element model and ANSYS Design Explorer to analysis its sensitivity and to make a design optimization. Lastly, the optimized first natural frequency of the exhaust pipe was increased from 23.73 Hz to 34.9 Hz, thus avoiding the excitation frequency of the engine at idle. This study provides an important basis for damping and noise reduction of the exhaust system.

exhaust pipe; PolyMax; ANSYS Workbench; optimization design

2016-05-24

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(11KJA580001)

許凱(1990—)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事噪聲與振動(dòng)控制研究，E-mail:740369505@qq.com。

許凱，曾發(fā)林.基于LMS與ANSYS Workbench的排氣系統(tǒng)懸置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):69-73.

format：XU Kai, ZENG Falin.Optimization Design of Suspension Parameters of Exhaust System Based on LMS and ANSYS Workbench[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):69-73.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.010

U467.3

A

1674-8425(2017)07-0069-05