龔興旺 孫念芬 鄧磊 涂晴

摘 要：文章運用Hypermesh對某SVU排氣系統(tǒng)幾何模型進行合理簡化，建立CAE模型，分析排氣系統(tǒng)模態(tài)并與試驗結(jié)果對比，驗證CAE模型的準確性。在此基礎(chǔ)上根據(jù)排氣系統(tǒng)自由模態(tài)結(jié)果，計算各潛在吊耳位置點的模態(tài)位移，運用平均驅(qū)動自由度位移理論對排氣系統(tǒng)計算得到的各階模態(tài)位移進行加權(quán)疊加，求和后選取位移較小的位置點作為排氣吊耳潛在吊掛點。通過對排氣進行吊掛動態(tài)力對比分析，驗證吊掛位置的合理性。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);平均驅(qū)動自由度位移;吊掛位置優(yōu)化;仿真

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-177-04

Abstract： Exhaust system CAE model was built through the Hyperworks software， Analyze the normal modes and compare to the test result， verify the correctness of the CAE model. The ADDOFD method was used to obtain the potential hanger location. Hanger force was calculated to verify the approach.

Keywords： Exhaust system; ADDOFD; Hanger location optimize; Simulation

前言

影響汽車NVH的因素有很多，其中排氣系統(tǒng)是一個主要的激勵源，排氣系統(tǒng)熱端直接通過法蘭連接在發(fā)動機上，冷端大都是通過吊鉤加橡膠吊耳連接在車身或車架上，熱端與冷端之間通過波紋管相連。排氣系統(tǒng)在工作過程中，不僅受到發(fā)動機的激勵，排氣系統(tǒng)本身的脈沖振動及氣流沖擊也會產(chǎn)生較大的能量。這些振動能量通過橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板，引起車身振動并產(chǎn)生車內(nèi)噪聲[1-2]，直接對對車內(nèi)的NVH有貢獻，影響駕駛員及乘客的感觀。因此，非常有必要在設(shè)計前期就對排氣系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化，以減小排氣系統(tǒng)傳遞到車身及車架上的力，從而優(yōu)化車內(nèi)NVH。

應(yīng)用先進的計算機輔助工程（CAE）的手段是一種非常有效的優(yōu)化排氣系統(tǒng)設(shè)計的方法。本文對某SUV車型排氣系統(tǒng)進行模態(tài)分析，并與試驗結(jié)果對標，驗證仿真模型的準確性，在此基礎(chǔ)上，對排氣吊掛位置進行研究，選取吊鉤最優(yōu)位置，可以在設(shè)計初期得到排氣系統(tǒng)的固有特性，同時可以預(yù)測排氣系統(tǒng)的振動特性，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行優(yōu)化，降低風(fēng)險，同時有助于在樣車出來后，對排氣系統(tǒng)相關(guān)問題進行整改優(yōu)化。

1 理論

1.1 模態(tài)振動理論

ADDOFD（j）可獲得某個自由度在一般激勵情況下的（在某個頻率范圍內(nèi)所有模態(tài)均被激發(fā)）的位移響應(yīng)的相對大小，以此對排氣系統(tǒng)吊耳的懸掛點位置進行優(yōu)化選擇。

2 建立排氣系統(tǒng)CAE仿真模型

汽車排氣系統(tǒng)的零件很多，一般包括：熱端和冷端，熱端主要包括：排氣管、三元催化器和連接法蘭;冷端主要包括：主（副）消聲器、橡膠吊耳、吊鉤、排氣管、連接法蘭。

2.1 各元件的簡化模擬

對于三元催化器的處理，有兩種方式：1、劃分詳細的三元催化器網(wǎng)格及內(nèi)部結(jié)構(gòu);2、直接將內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化成質(zhì)量點，通過剛性單元連接至三元催化器外表面。

消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，如果有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可完全采用網(wǎng)格劃分;如未提供則須簡化，先對消聲器的外殼進行網(wǎng)格劃分，再進行質(zhì)量模擬。

波紋管的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以簡化為彈簧單元，在Hyper -work軟件中，可以直接用六方向的彈簧（cbush）單元模擬分析，注意該彈簧單元需在合適的局部坐標系內(nèi)。

對于吊耳的處理，與波紋管類似，采用零長度的彈簧單元模擬，并給定初始設(shè)計的剛度值。

2.2 排氣系統(tǒng) 有限元模型的建立

從設(shè)計人員處得到排氣系統(tǒng)總成的CAD數(shù)據(jù)，并進行幾何清理，清理完后，對排氣系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸建議7-10mm，網(wǎng)格質(zhì)量要求需滿足通用的標準。對排氣系統(tǒng)各零件進行連接，同時對各零件設(shè)定好相應(yīng)的材料及屬性類型，建立的排氣系統(tǒng)模型如圖1所示。其中H1-H5為排氣工程師提供的初始吊掛位置點。

3 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析與試驗對標

3.1 排氣系統(tǒng)固有特性分析

對已完成的排氣系統(tǒng)有限元模型進行自由模態(tài)分析，得到排氣系統(tǒng)各階模態(tài)頻率。如表1所示。

3.2 排氣系統(tǒng)模態(tài)試驗

利用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試排氣系統(tǒng)的約束模態(tài)，該測試在江西省汽車噪聲與振動重點實驗室完成。排氣系統(tǒng)的約束模態(tài)實驗采用單點激勵、多點響應(yīng)的隨機激勵法，通過獲取激勵點和各響應(yīng)點之間的傳遞函數(shù)來識別排氣系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型[2]。在排氣系統(tǒng)的波紋管后位置、排氣管中間、排氣尾管靠近尾管口位置各布置一個傳感器，然后在每個測點處用力錘進行激振，依次完成每個測點的激勵測試，如下圖2所示。

從表2 可以看出：排氣系統(tǒng)CAE分析計結(jié)果與試驗結(jié)果的結(jié)果差距較小，仿真與測試的排氣系統(tǒng)模態(tài)頻率誤差小于8%，仿真結(jié)果置信度較高?？墒褂迷撆艢庀到y(tǒng)的有限元模型進行后續(xù)的仿真分析。

4 對吊掛位置進行優(yōu)化

排氣系統(tǒng)吊掛位置對于排氣系統(tǒng)傳遞到車內(nèi)的振動大小有直接影響，選擇整個排氣系統(tǒng)振動位移最小的位置作為潛在吊掛位置，再結(jié)合布置、制造及強度耐久的可行性最終選擇吊掛位置。

從部分排氣系統(tǒng)自由模態(tài)位移云圖中可以得出，不同模型頻率下，排氣系統(tǒng)各點的位移均不相同，因此下一步將運用平均驅(qū)動自由度法進行加權(quán)位移計算。

發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速一般在6000r/ min 以下，對應(yīng)的激勵頻率在200HZ以下;以某SUV車型為例，通過查看應(yīng)變能大小和振型判斷20HZ以內(nèi)為剛體模態(tài);所以在定義模態(tài)時，可設(shè)定頻率范圍為20～200HZ。

利用Nastran 計算排氣管系統(tǒng)的自由振動模態(tài)，將振型中這些位置的位移進行計權(quán)累加，構(gòu)成加權(quán)振型指示位移，取加權(quán)振型指示位移較小者作為潛在布置位置[3]，兼顧工程化布置空間限制，故推薦吊掛布置位置如下圖中綠圈內(nèi)位置或滿足布置條件的盡可能接近圖4綠圈附近。

5 吊掛位置點優(yōu)化合理性驗證

5.1 排氣系統(tǒng)靜力分析

完成排氣系統(tǒng)的懸掛點設(shè)計后，可以通過靜力分析來預(yù)測整個系統(tǒng)在重力作用下的應(yīng)力分布以及各懸掛點的載荷分布[6]。各吊掛點最大位移為1.35mm，各吊掛點受力情況如表4所示。

從排氣系統(tǒng)的靜態(tài)分析結(jié)果來看：

（1）優(yōu)化吊掛位置后，各點的位移滿足目標（<3mm）要求;

（2）優(yōu)化吊掛位置后，各吊掛點的受力更均勻。

5.2 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

根據(jù)模態(tài)分離原則，排氣系統(tǒng)的模態(tài)需與發(fā)動機怠速的主要階次激勵頻率避開3Hz以上，從而降低車輛在怠速時的振動。

該SUV的發(fā)動機為4沖程4缸柴油機，怠速轉(zhuǎn)速為800rpm，故對應(yīng)的需避開的發(fā)動機主要階次（2、4、6）激勵頻率為26.7Hz、53.4 Hz、80. 1Hz。

對吊掛位置優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)進行了約束模態(tài)分析，得到的結(jié)果如表5所示：

從排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析結(jié)果來看：

（1）吊掛位置優(yōu)化后，排氣系統(tǒng)的各階模態(tài)與發(fā)動機2、4、6階激勵頻率避開3Hz以上，滿足模態(tài)分離原則;

（2）排氣系統(tǒng)的模態(tài)密度未發(fā)生變化。

5.3 排氣系統(tǒng)動態(tài)受力分析

排氣在工作過程中，通過橡膠吊掛和吊掛傳遞給車身底板，從而引起一定的車內(nèi)噪聲，因此通過分析吊掛傳遞到車體的動態(tài)力[4-5]，可以進一步說明吊掛位置的合理性。

對優(yōu)化方案和原方案進行動態(tài)力對比分析，對比分析結(jié)果如下圖5所示。

從排氣系統(tǒng)的動態(tài)受力來看看：

（1）頻率為33HZ時，振動位移較大，優(yōu)化方案效果明顯;

（2）各吊掛點傳遞的動態(tài)力更加均勻并滿足目標值。

6 結(jié)束語

（1）本文根據(jù)有限元理論，對排氣系統(tǒng)劃分網(wǎng)格，并對部分零件進行合理簡化，建立排氣系統(tǒng)有限元模型，進行模態(tài)頻率計算，并對排氣系統(tǒng)進行物理試驗，驗證了CAE模型的準確性;

（2）基于對標后的CAE模型，運用平均驅(qū)動自由度位移法計對該車型的排氣振動位移，根據(jù)位移結(jié)果對排氣吊掛位置進行優(yōu)化，并結(jié)合工程可行性給出吊掛位置優(yōu)化建議;

（3）通過對吊掛位置優(yōu)化前后的排氣吊掛進行靜態(tài)、模態(tài)及動態(tài)力分析，對比原方案，各吊掛的受力更為均勻;各階模態(tài)滿足模態(tài)分離原則;各吊耳動態(tài)力較優(yōu)化前有所降低，且均不超過目標值10N，優(yōu)化效果明顯。

本文的研究能有效的得到排氣系統(tǒng)的固有特性，并在前期指導(dǎo)排氣系統(tǒng)的設(shè)計，能夠有效的降低排氣系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲與振動的影響，提升整車NVH性能。

參考文獻

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