王宇翔，陸靜，王林龍，王青

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某車型排氣系統(tǒng)振動特性分析及優(yōu)化設(shè)計

王宇翔，陸靜*，王林龍，王青

（廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西汽車零部件與車輛技術(shù)重點實驗室，廣西 柳州 545006）

某車型在NVH性能測試中的隔振性能較差，經(jīng)測試分析后確定其原因為排氣系統(tǒng)吊鉤的傳遞力過大。為了改善該車型的隔振性能，文章建立了排氣系統(tǒng)的有限元模型并分析其振動振動特性。然后，選取5個橡膠吊耳的剛度作為設(shè)計優(yōu)化變量，以5個吊鉤的傳遞力為優(yōu)化目標(biāo)，通過ISIGHT平臺集成多種有限元軟件自動建立了橡膠吊耳Z向剛度與傳遞力峰值的響應(yīng)面近似優(yōu)化模型，采用LSGRG算法求出近似模型的最優(yōu)解，達(dá)到了對吊耳剛度優(yōu)化的目的。

排氣系統(tǒng)；吊耳；剛度；ISIGHT

前言

排氣系統(tǒng)懸置的吊鉤處在振動傳遞的重要位置，一端與排氣主體相連，另一端與車身地板相連，發(fā)動機(jī)傳遞到排氣系統(tǒng)的振動會通過排氣吊鉤傳遞至車身，引起車體的振動和車內(nèi)噪聲，從而影響駕駛?cè)藛T和乘客的舒適性。因此合理設(shè)計排氣懸置系統(tǒng)，不僅能改善整車的NVH性能，還能提高自身的壽命[1]。國內(nèi)外很多學(xué)者對排氣系統(tǒng)的振動特性和聲學(xué)做了大量的分析和研究工作。戰(zhàn)申[2]用ABAQUS進(jìn)行自由模態(tài)分析，初步分析吊鉤位置是否合理，然后對排氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，通過調(diào)整懸掛及波紋管參數(shù)提高了系統(tǒng)固有頻率，避免了與發(fā)動機(jī)頻率的耦合。黃志等[3]對排氣系統(tǒng)吊耳設(shè)計原則進(jìn)行了歸納和研究，從各種類型排氣系統(tǒng)吊耳結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，系統(tǒng)的闡述了吊耳典型結(jié)構(gòu)和常規(guī)設(shè)計原則。田育耕等[4]采用Hypermesh和Nastran軟件對某汽車排氣系統(tǒng)的振動進(jìn)行有限元建模和模態(tài)分析，并利用平均驅(qū)動自由度位移法對排氣系統(tǒng)吊耳懸掛點位置進(jìn)行優(yōu)化。 Goktan A G[5]將排氣系統(tǒng)與整車模型結(jié)合，從不同的方面分析了其振動特性，比較真實的反應(yīng)振動情況。

某車型實驗測試中出現(xiàn)的車身振動過大的現(xiàn)象，通過實驗測試初步確定是由于排氣系統(tǒng)傳遞到車身的力過大。為了解決這一問題，本文基于CATIA軟件建立了該車型排氣系統(tǒng)CAD模型，利用Hypermesh軟件建立了相應(yīng)的有限元模型，通過Nastran求解器對其進(jìn)行振動特性分析，計算得出在激勵范圍內(nèi)吊鉤傳遞力曲線圖及傳遞力值。數(shù)值分析表明，排氣吊鉤與車身焊接點的傳遞力超過了工程經(jīng)驗值，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了不改變排氣系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，選擇橡膠吊耳的剛度作為優(yōu)化設(shè)計變量，吊耳的傳遞力為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合中心組合實驗法[6]和ISIGHT平臺進(jìn)行優(yōu)化，確定了5個吊耳的最優(yōu)剛度組合。優(yōu)化結(jié)果的仿真驗證表明，優(yōu)化后的傳遞力基本達(dá)到了工程經(jīng)驗值，本文的研究達(dá)到了對各優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化的目的。

1 排氣系統(tǒng)動載荷頻響分析

發(fā)動機(jī)輸出動載荷激勵時經(jīng)由排氣系統(tǒng)傳遞至車體上的響應(yīng)力，即排氣吊鉤與車身焊接點的傳遞力，是排氣系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要考核的指標(biāo)之一。工程經(jīng)驗表明，傳遞力應(yīng)為10N左右，若超出太多，則車內(nèi)乘員可能會明顯感覺到來自排氣系統(tǒng)的振動和噪聲，須對系統(tǒng)進(jìn)行修改[7]。

某車型在NVH測試中發(fā)現(xiàn)，車身的振動明顯，經(jīng)實驗測試分析，初步確定是由于排氣系統(tǒng)傳遞至車體上的響應(yīng)力過大所導(dǎo)致。為了驗證試驗結(jié)果，建立該車型排氣系統(tǒng)的有限元模型，并進(jìn)行振動特性分析。該車型排氣系統(tǒng)是由主消聲器、副消聲器、三元催化器、波紋管、排氣歧管法蘭等部件構(gòu)成，利用CATIA建立幾何模型并導(dǎo)入Hypermesh中。由于排氣系統(tǒng)部件較多、形狀各異、幾何特征復(fù)雜因而采用四邊形（quad）和三角形（tria）混合單元來劃分網(wǎng)格，且在幾何清理簡化過程中，遵循不影響分析結(jié)果的原則[8]，排氣系統(tǒng)-動力總成總體有限元模型如圖1所示。模擬發(fā)動機(jī)沿曲軸（整車坐標(biāo)軸Y軸）方向且在20Hz-200Hz頻率范圍內(nèi)變化的扭矩，大小為100N·m。本文中的排氣動力總成模型是由5個吊鉤和4個動力懸置分別與車身連接而成，對發(fā)動機(jī)懸置和車身側(cè)及被動吊耳與車身焊接點的邊界條件都設(shè)置為全約束，每個吊耳三個方向的剛度為15N/m。

圖1 排氣系統(tǒng)總體有限元模型

完成上述設(shè)置后，將選取好的模型提交給MSC.Nastran進(jìn)行計算，通過HyperGraph讀取計算結(jié)果，在激勵頻率范圍內(nèi)所選取的吊鉤傳遞力曲線如圖2所示。

圖2 吊鉤傳遞力曲線

由圖2所選取的節(jié)點傳遞力曲線可知：第1個吊鉤和第5個吊鉤的傳遞力較其他吊鉤要偏大。提取各吊鉤的傳遞力峰值，如表1。

表1 各方案吊鉤傳遞力峰值

由表1可知，吊鉤的傳遞力基本大于標(biāo)準(zhǔn)值10N，需要對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。為了保持整體結(jié)構(gòu)不變，確定對吊耳的剛度進(jìn)行優(yōu)化。

通過LMS Test.Lab中的Impact Testing模塊，采用采用整車坐標(biāo)系，單輸入多輸出的方法，對實際裝車狀態(tài)下排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測試，測試排氣系統(tǒng)傳感器的布置如圖3所示，根據(jù)傳感器布置建立相應(yīng)模型。為保證測試結(jié)果的可靠性，拾取三個不同點的x、y、z分別進(jìn)行錘擊輸入，測試過程中，對每個輸入點的每個方向錘擊5次，要保證每次錘擊的一致性盡量接近1，以保證實驗的準(zhǔn)確性。將采集后的數(shù)據(jù)放入PloyMAX進(jìn)行后處理，得到其參數(shù)結(jié)果表和振型圖。試驗?zāi)B(tài)振型與仿真約束模態(tài)振型分析，取一階y,z方向彎曲模態(tài)，頻率對比結(jié)果如表2。

圖3 測試排氣系統(tǒng)及傳感器的布置

表2 仿真和實驗結(jié)果對比

由表2得出的數(shù)據(jù)比較可知，MAC接近1誤差在合理范圍內(nèi)，表明該有限元模型具有一定的準(zhǔn)確性，能較準(zhǔn)確的反映排氣系統(tǒng)的運動特性。

2 排氣系統(tǒng)吊耳剛度優(yōu)化

2.1 響應(yīng)面模型建立

響應(yīng)面法在局部范圍內(nèi)可以通過較少的試驗樣本點比較精確的逼近激勵與響應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，可以快速準(zhǔn)確的擬合不同復(fù)雜程度的響應(yīng)關(guān)系。多項式響應(yīng)面模型[9]是應(yīng)用范圍比較廣的一類近似模型，它是利用不同階次的多項式函數(shù)擬合設(shè)計空間，從而表征工程實際中的計算機(jī)仿真模型。本文研究模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算精度要求的特點，所以選取多項式響應(yīng)面模型來構(gòu)造本文的近似模型。多項式響應(yīng)面法表示設(shè)計變量X與響應(yīng)Y的近似數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為：

式中，x為設(shè)計變量，為待定系數(shù)，M為設(shè)計變量個數(shù)。

2.2 中心組合實驗設(shè)計

本文設(shè)計變量為5個吊耳的Z向剛度，初始值都為15N/m，建立樣本空間時設(shè)計變量的上下限分別設(shè)定為5~40N/m，為了確保建立近似模型的精度，擬采集100組樣本點。

圖4 中心組合樣本點圖

圖5 吊耳剛度對各優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)面

根據(jù)中心組合試驗設(shè)計生成的100組數(shù)組的樣本空間，按照樣本空間的設(shè)計變量值，選取1到5號吊耳的Z方向的剛度作為本次近似模型優(yōu)化的設(shè)計變量，5個吊鉤的傳遞力峰值為優(yōu)化目標(biāo)，即可建立近似的響應(yīng)面模型。由于采用人工計算的工作量很大，本文采用ISIGHT平臺集成Nastran和Optistruct求解器進(jìn)行自動的分析和優(yōu)化。分析軟件集成后，流程回路上會形成數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)流程中自動添加實驗設(shè)計組件、優(yōu)化算法，分別進(jìn)行100次自動仿真，得到每次仿真的響應(yīng)結(jié)果，最終，運用最小二乘法對試驗設(shè)計樣本點和響應(yīng)進(jìn)行擬合，構(gòu)建出合理的二階響應(yīng)面模型，5個吊耳的Z向剛度對1,2,3,4,5號吊鉤傳遞力峰值的響應(yīng)面模型如圖5所示。

2.3 吊耳剛度優(yōu)化

基于所建立的響應(yīng)面近似模型，根據(jù)LSGRG算法將目標(biāo)函數(shù)和約束作近似為設(shè)計變量的二次多項式[9]，其中，5個吊耳Z向剛度為設(shè)計變量，5個吊鉤傳遞力峰值為優(yōu)化目標(biāo)。整個優(yōu)化過程經(jīng)過170次迭代后收斂并且獲得最優(yōu)解，其中，吊耳5的迭代過程如圖6所示。排氣系統(tǒng)模型在優(yōu)化前后設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)的初始值及優(yōu)化后值如表3所示。

圖6 吊鉤5傳遞力峰值優(yōu)化迭代過程

表3 變量與優(yōu)化目標(biāo)的初始值及優(yōu)化值

由表3可知：1,3,4,5號吊鉤傳遞力峰值分別由原來的31.601N、16.097N、17.4323N、26.2534N降低為10.007N、12.759N、10.003N、10N,降低幅度分別為68.3%、20.7%、42.6%、61.9%，吊鉤2傳遞力由小幅增大，5個吊鉤傳遞力都保持在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值10N左右?？v觀優(yōu)化結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果，實現(xiàn)了優(yōu)化目的。

3 結(jié)論

采用有限元軟件對某車型排氣系統(tǒng)的數(shù)值模型進(jìn)行吊鉤傳遞力分析，發(fā)現(xiàn)吊鉤傳遞力過大。因此，對吊鉤的傳遞力進(jìn)行優(yōu)化。以5個吊鉤的傳遞力為優(yōu)化目標(biāo)，5個橡膠吊耳的剛度作為設(shè)計優(yōu)化變量，在ISIGHT自動化平臺上集成有限元軟件Optistruct和Nastran，利用中心組合實驗法采集的100組樣本點，結(jié)合自動仿真優(yōu)化平臺得到樣本空間，構(gòu)建了響應(yīng)面近似模型。采用LSGRG算法，以傳遞力最小為優(yōu)化目標(biāo)，對吊耳剛度進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，該方法達(dá)到了優(yōu)化目的，優(yōu)化后能有效的改善整車的NVH性能，對提升舒適性有重要的意義。

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Vibration characteristics analysis and optimization design on exhaust system of a vehicle model

Wang Yuxiang, Lu Jing*, Wang Linlong, Wang Qing

( Guangxi University Of Science and Technology, Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

The vibration isolation performance of a vehicle was poor in the NVH performance test. After test and analysis, it was determined that the reason was that the transmission forces of the exhaust system hook were too large.In order to improve the vibration isolation performance of this model, its finite element model was established, and vibration charac -teristic was also analyzed in this paper. Then the stiffness of the 5 rubber lifting lugs were selected as the design optimiza -tion variable, and the transmission force of 5 lifting lugs was taken as the optimization objective, an approximate optimiza -tion model of the response surface of z-direction stiffness of rubber lifting lug and the peak of transmission force was established automatically by integrating various finite element software on the ISIGHT platform.LSGRG algorithm was used to find the optimal solution of the approximate model, which has achieved the goal of optimizing the stiffness of lifting lug.

exhaust system;lug;rigidity;ISIGHT

A

1671-7988(2019)05-103-04

U464.134

A

1671-7988(2019)05-103-04

U464.134

王宇翔（1991—），男，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制；*

陸靜，博士，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.031