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        基于ANSYS的汽車排氣系統(tǒng)有限元模型簡化模擬方法

        2019-10-17 02:24:10鄭克峰楊忠瑞杜承宗羅世強(qiáng)
        汽車零部件 2019年9期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)有限元分析

        鄭克峰,楊忠瑞,杜承宗,羅世強(qiáng)

        (西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川成都 610039)

        0 引言

        有限元仿真分析在當(dāng)今的產(chǎn)品研發(fā)過程中起著重要作用,作為一種檢驗(yàn)產(chǎn)品使用特性的重要技術(shù)手段,分析過程耗時少、解算結(jié)果精確度高是評價(jià)有限元分析法的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。汽車排氣系統(tǒng)一般包括催化轉(zhuǎn)換器、波紋管、連接管、副消聲器、主消聲器、尾管、法蘭、吊鉤裝置等。通常,汽車排氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)和汽車底盤通過法蘭和吊耳相連,汽車在行駛時,發(fā)動機(jī)的振動以及排氣工作本身的激勵都會引起排氣系統(tǒng)的振動。針對汽車排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析通常用來獲得排氣系統(tǒng)的各階頻率及振形,以此可以對相關(guān)的振動故障進(jìn)行診斷,同時汽車排氣系統(tǒng)的動力優(yōu)化也可基于排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析進(jìn)行。如田靜[1]通過模態(tài)分析方法對掛鉤點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化,殷俊等人[2]則通過將排氣系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比的方法,驗(yàn)證了排氣系統(tǒng)模態(tài)分析的可靠性。

        盡管三維實(shí)體模型在描述物體幾何特性時非常精確[3],卻在直接用作有限元模型分析時計(jì)算量大、分析用時較長、對計(jì)算機(jī)性能的要求高,不能滿足當(dāng)今設(shè)計(jì)研發(fā)快速的要求。因此,需要對實(shí)體模型采取保留特征的簡化有限元模型的方法,減少解算時間,提升仿真系統(tǒng)的效率。汽車排氣系統(tǒng)零件較多,若采取實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析,網(wǎng)格數(shù)量較多,計(jì)算效率低。其中波紋管直接建模的方式相對復(fù)雜,且在建立有限元模型的過程中,劃分的網(wǎng)格數(shù)量在保證結(jié)果精確的前提下會非常多,這無疑為計(jì)算機(jī)進(jìn)行CAE分析增加了解算負(fù)荷。在三維仿真時,國內(nèi)一些研究人員也直接采取殼體建模的方法簡化有限元模型,如方彥奎[4]就通過HyperMesh直接以殼體單元建立有限元模型,并以Shell單元進(jìn)行仿真分析,得到了排氣系統(tǒng)的自由模態(tài)。同時他考慮到計(jì)算機(jī)性能及實(shí)現(xiàn)難度的關(guān)系,以Cbush連接兩邊管中心節(jié)點(diǎn),并用Rbe2單元連接中心節(jié)點(diǎn)與其他周圍節(jié)點(diǎn)來簡化了波紋管的有限元模型。李松波等[5]則將轎車排氣系統(tǒng)的模型以一維數(shù)值模型代替,最后通過實(shí)驗(yàn)對比,證明了一維數(shù)值排氣系統(tǒng)模型在模態(tài)分析時也有參考意義。

        目前針對ANSYS軟件的簡化波紋管模型的方法較少,其中毛紅威等[6]提出用一個Combin14彈簧單元代替波紋管的軸向彈性運(yùn)動,但該方法沒考慮到波紋管本身的形變方向是三向的,且因?yàn)閮啥诉B接管都是實(shí)體模型,計(jì)算效率相對較慢。本文作者在已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)后文所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用簡化波紋管模型的方法來模擬波紋管在自由振動下的工作情況,從汽車排氣系統(tǒng)的自由模態(tài)分析出發(fā),提出一種針對排氣系統(tǒng)有限元模型的中面提取簡化方法,同時將波紋管的模型在ANSYS有限元分析應(yīng)用時進(jìn)行了簡化,并對兩種不同的波紋管簡化方案的模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了對比。

        1 排氣系統(tǒng)有限元模型建立

        1.1 管道實(shí)體模型簡化

        文中的研究對象為某汽車的排氣系統(tǒng),根據(jù)其真實(shí)測量尺寸,用CAD軟件進(jìn)行三維建模,并將得到的三維實(shí)體模型導(dǎo)入至ANSYS Workbench當(dāng)中,得到的初始模型如圖1所示。

        圖1 Workbench中的三維實(shí)體模型

        進(jìn)行三維仿真時,各法蘭間螺栓連接、模型中的傳感器、較小的圓角等對解算結(jié)果的影響較小,為了加快計(jì)算效率,去除這些部分,得到簡化后的三維模型。然而采取實(shí)體模型的形式劃分網(wǎng)格的排氣系統(tǒng)在進(jìn)行有限元計(jì)算時計(jì)算量偏大,因此根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn),由于排氣系統(tǒng)中大部分零件都是典型的薄壁實(shí)體,薄壁的厚度遠(yuǎn)不及模型本身的長度和寬度,則可以通過將三維薄壁實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為二維面體的模型實(shí)現(xiàn)降維簡化[7]。文中通過抽取中面的形式,從原薄壁管得到面片模型,然后對抽取后的中面兩面斷開部分進(jìn)行延伸操作,則將原有實(shí)體模型簡化后如圖2所示。

        圖2 排氣系統(tǒng)簡化模型

        以簡化后的模型進(jìn)行分析時,又要根據(jù)排氣系統(tǒng)的不同部分,分步驟劃分網(wǎng)格,并在排氣系統(tǒng)波紋管兩端連接管的圓筒中心各建立一個節(jié)點(diǎn)。最后得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)161 107個,單元總數(shù)為92 557。然后對螺栓固定連接部分施加固定約束,并在兩處加入質(zhì)量點(diǎn),模擬兩處零件重力。圖3所示為該排氣系統(tǒng)簡化模型后的有限元模型。

        圖3 排氣系統(tǒng)有限元模型

        盡管ANSYS Workbench前處理非常方便,但在建立波紋管簡化模型時,Workbench有其局限性,而且也存在解算速度慢的問題。所以此時將該模型直接生成Mechanical APDL的輸入文件,將排氣系統(tǒng)有限元模型導(dǎo)入Mechanical APDL環(huán)境下進(jìn)行波紋管模型的簡化。

        1.2 波紋管簡化

        在求解排氣系統(tǒng)的固有頻率時,針對波紋管具有多個變形方向的特殊情況,結(jié)合如圖4所示的該波紋管的剛度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出一種簡化波紋管有限元模型的方法。

        圖4 波紋管軸向與橫向形變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        方案一簡化步驟如下:建立以兩邊連接管中心點(diǎn)軸向、其中一管徑向的笛卡爾坐標(biāo)系,并將該坐標(biāo)系設(shè)置為世界坐標(biāo)系。以3個Combin14線性彈簧單元代替波紋管在求解固有頻率時的3個方向的剛度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將剛度均設(shè)置為20 N/mm,并使3個彈簧單元連接兩端管的中心位置。進(jìn)一步簡化模型需要將彈簧兩端與兩邊排氣管進(jìn)行關(guān)聯(lián),此時則采用Cerig剛性耦合方法,將彈簧單元兩端節(jié)點(diǎn)與排氣管有限元模型兩端的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián),簡化后的波紋管有限元模型如圖5所示。

        圖5 簡化的波紋管有限元模型

        另一種簡化方案則為:僅通過一個彈簧單元在兩排氣管間連接,彈簧的形變方向設(shè)置為沿管道軸向,其他步驟與方案一相同。

        分別對兩種不同的簡化方案分析,并記錄兩種簡化方案的耗時。

        2 模態(tài)分析

        將兩種不同的簡化方案用APDL模塊進(jìn)行自由模態(tài)分析,記錄分析結(jié)果和用時,并進(jìn)行對比,如表1所示。

        表1 模態(tài)分析結(jié)果

        3 模態(tài)分析結(jié)果對比

        盡管采用一個沿波紋管軸向變化的Combin14單元的簡化方案分析速度更快,但因?yàn)闆]有考慮到波紋管的其他形變方向,所以分析的結(jié)果與方案一的差別較大。因方案一在理論上是將波紋管的軸向剛度與橫向剛度考慮在內(nèi)的,其結(jié)果較方案二更具參考價(jià)值,所以方案一在保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性的同時,也將分析過程的耗時大大減少。相較于其他用高密度網(wǎng)格實(shí)體模型代替的辦法,方案一和方案二都縮短了排氣系統(tǒng)模態(tài)分析的時間,且方案一更能夠保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        4 結(jié)論

        汽車排氣系統(tǒng)模態(tài)分析對當(dāng)下的汽車生產(chǎn)制造中汽車的安全性和舒適性有著重大意義,本文作者基于ANSYS軟件中的Workbench模塊以及Mechanical APDL模塊,對某汽車排氣系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行了簡化,其中針對波紋管難建模、解算時間長的問題,對波紋管有限元模型進(jìn)行了進(jìn)一步簡化,提升了該排氣系統(tǒng)模態(tài)分析的解算效率。該簡化方案能夠作為相關(guān)CAE研究的參考。

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