田永康，黃大偉，謝華林，龔運(yùn)息

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，自從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)入汽車設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域以來(lái)，不但縮短了設(shè)計(jì)周期，而且能夠保證設(shè)計(jì)精度，降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成本,使得汽車輕量化成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。除了汽車的安全性，汽車的舒適性也越來(lái)越受到重視。整個(gè)汽車系統(tǒng)中，排氣系統(tǒng)對(duì)汽車整體 NVH 性能起著重要作用[1-2]。當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，排氣系統(tǒng)承受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的周期動(dòng)載荷，載荷引起排氣系統(tǒng)振動(dòng)從而影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件以及吊掛件的疲勞壽命及可靠性，同時(shí)，周期振動(dòng)通過(guò)排氣系統(tǒng)橡膠吊掛傳遞到車體，影響車身結(jié)構(gòu)的噪聲振動(dòng)平順性(NVH)性能指標(biāo)[3]。為了進(jìn)一步了解汽車的振動(dòng)特性，筆者利用Hypermesh軟件對(duì)排氣系統(tǒng)的自由模態(tài)和約束模態(tài)進(jìn)行分析對(duì)比，為此后此型號(hào)的排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 排氣系統(tǒng)模型建立

排氣系統(tǒng)主要由催化器帶排氣管總成，前消聲器總成，中段排氣氣管總成，后消聲器總成部分組成。各段之間通過(guò)法蘭和螺栓連接，并通過(guò)掛鉤合件與車體連接在一起[4]。根據(jù)排氣系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)和各部件的參數(shù)，利用UG三維建模建立三維模型，保存為x_t格式導(dǎo)入Hypermesh中，根據(jù)有限元計(jì)算的要求，對(duì)排氣系統(tǒng)的非必要部件進(jìn)行幾何處理及簡(jiǎn)化后的優(yōu)點(diǎn)如下。

(1) 由于整個(gè)排氣系統(tǒng)的各機(jī)構(gòu)零件(除法蘭、掛鉤)都很薄，且長(zhǎng)度分布不均勻，因此可以采用板殼單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理，相比于梁結(jié)構(gòu)理論模型，其精確度更高。

(2) 三元催化裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用UG測(cè)量其質(zhì)量及重心位置，然后去除支架螺栓螺紋，去除內(nèi)部隔層，對(duì)于外部圓孔進(jìn)行修補(bǔ)，內(nèi)部質(zhì)心用CNM2代替。

(3) 對(duì)于前后消隔板有孔之處的處理(填補(bǔ))，不僅能有效的模擬其機(jī)構(gòu)，而且對(duì)于隔板周圍的局部結(jié)構(gòu)也有了更好的模擬。

(4) 便于計(jì)算結(jié)果分析，能夠迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，包括細(xì)節(jié)問(wèn)題，然后進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)模型修改方便，能夠照顧細(xì)節(jié)，迅速反映宏觀改動(dòng)或局部細(xì)節(jié)改動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響[5]。

(5) 和實(shí)體相比，不僅縮短了時(shí)間，而且對(duì)計(jì)算的精度，都有極大的提升。

(6) 采用大量網(wǎng)格的模擬方式，能更準(zhǔn)確地模擬排氣機(jī)構(gòu)中三元催化、前后消、波紋管的實(shí)際的連接情況。

(7) 可以減少UG模型導(dǎo)入HyperMesh中出錯(cuò)的幾率，使得計(jì)算更為精確。

2 排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析的理論

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性的主要方法之一，通過(guò)模態(tài)分析可以得到固有頻率和振型，來(lái)避免汽車在正常怠速下發(fā)生共振的情況。求解方程為：

(1)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼系數(shù);{F(t)}為剛度矩陣;{U}為位移矩陣;{F(t)}為力矩陣。

由(1)轉(zhuǎn)換成物理方程為：

m×a+c×v+k×x=F(t)

(2)

(3)

由于阻尼可以忽略不計(jì),設(shè)F(t)為0則得：

[K]+ω2[M]=0

(4)

(5)

2.2 模型前處理

2.2.1 材料屬性

材料屬性見(jiàn)表1所列。

表1 零件的材料屬性

2.2.2 UG模型網(wǎng)格劃分

前后消、三元催化器和管體等抽取中面后，采用shell進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且把其材料的屬性及厚度給賦值，法蘭厚8 mm，前后消為1.2 mm，其余部分均為1.8 mm；波紋管軸向剛度15 N/mm，徑向剛度1.2 N/mm，懸掛膠Z向剛度為12 N/mm；所有的網(wǎng)格均可采用5 mm，但需保持一致其管道和前后消的連接處可以用shell連接(見(jiàn)圖1)，其波紋管、動(dòng)力總成的質(zhì)量選用質(zhì)量點(diǎn)CONM2單元等效模擬(見(jiàn)圖2)；法蘭和螺栓采用實(shí)體化分網(wǎng)格的辦法，法蘭與法蘭、螺栓與管道連接處可以采用re2剛性單元進(jìn)行連接(見(jiàn)圖3)；波紋管、橡膠、動(dòng)力總成可以用CBUSH進(jìn)行彈簧的等效替代，并且動(dòng)力總成懸掛點(diǎn)處采用重節(jié)點(diǎn)方式建立CBUSH單元并設(shè)置其坐標(biāo)系(見(jiàn)圖4)；掛鉤采用實(shí)體劃分網(wǎng)格， 網(wǎng)格尺寸選用2 mm；綜上所述，排氣系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖1 shell連接 圖2 模擬質(zhì)量點(diǎn))

圖3 re2單元連接 圖4 動(dòng)力總成模擬

2.3 模型后處理

2.3.1 自由模態(tài)分析

首先對(duì)某汽車的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了自由模態(tài)分析，即不考慮排氣系統(tǒng)的吊掛件和支撐以及排氣歧管約束對(duì)排氣系統(tǒng)振動(dòng)的影響[6]。文中采用HyperMesh中的optistruct進(jìn)行整個(gè)汽車排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析，根據(jù)企業(yè)提供樣車的數(shù)據(jù)，我們計(jì)算某汽車在怠速為750～800 r/min工況下，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火的頻率為22.33～200 Hz下的自由模態(tài)相應(yīng)的陣型。通過(guò)HyperView查看模態(tài)分析的結(jié)果，分析結(jié)果如表2所示。

表2 自由情況下的模態(tài)

由表2的分析結(jié)果可知，排氣系統(tǒng)的前6階的自由模態(tài)很小幾乎為0(因此表中為0)，是剛體整體振動(dòng)。所以我們一般只考慮模態(tài)為7～29階的相應(yīng)振型，為了更好的描述模型的模態(tài)我們?cè)谄渲羞x取 15階、17階、20階、24階、28階下的自由模態(tài)來(lái)作為比較典型的示例，如圖6所示。

圖6 典型示例圖

2.3.2 約束模態(tài)分析

對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)的掛鉤及動(dòng)力總成進(jìn)行約束，分析結(jié)果如表3所列。

表3 分析結(jié)果

從約束模態(tài)表中我們可以看出由于前階頻率普遍偏小，均小于20 Hz，因此一般我們不考慮，只考慮頻率在20～200 Hz范圍內(nèi)的約束模態(tài)如圖7所示。

圖7 典型示例圖

由以上兩種情況下模態(tài)的云圖對(duì)比可知，在固有頻率下，排氣管道彎曲的部位極易發(fā)生彎曲變形，自由模態(tài)在頻率為28.6 Hz的時(shí)候，后消排氣向Y軸方向移動(dòng)變形，在頻率為35.6 Hz時(shí)消排Z向三階彎曲模態(tài)移動(dòng)變形；在約束情況下，約束模態(tài)為29.4 Hz時(shí)，后消排氣向Y軸方向移動(dòng)變形，在36.6 Hz時(shí)消排Z向三階彎曲模態(tài)移動(dòng)變形。因此，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

由于該車型所配備的是直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率計(jì)算公式為[7]：

(7)

式中:i為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸個(gè)數(shù);n為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，r/min;τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

在汽車怠速的情況, 計(jì)算得出f=26.67 Hz，由分析結(jié)果可以看出在汽車怠速情況下，附近的模態(tài)振型分析，消排不存在Z向的彎曲變形，因此排氣系統(tǒng)不會(huì)共振現(xiàn)象。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)汽車在怠速行駛時(shí)，自由模態(tài)和約束模態(tài)的對(duì)比，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，對(duì)汽車的排氣系統(tǒng)的振動(dòng)是有一定影響的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生共振。因此，可以在此基礎(chǔ)上，對(duì)此型排氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以達(dá)到減少共振發(fā)生，同時(shí)我們?nèi)砸紤]此模型的法蘭盤(pán)氣密性是否連接緊密，以及在模態(tài)下掛耳動(dòng)剛度是否能達(dá)到要求等諸多問(wèn)題的影響，通過(guò)模態(tài)的對(duì)比，為以后解決問(wèn)題提供了基礎(chǔ)，從而來(lái)達(dá)到延長(zhǎng)排氣系統(tǒng)的使用壽命和NVH性能的功能。