某SUV排氣系統(tǒng)模態(tài)分析及吊掛位置優(yōu)化研究

龔興旺 孫念芬 鄧?yán)? 涂晴

摘 要：文章運(yùn)用Hypermesh對某SVU排氣系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行合理簡化，建立CAE模型，分析排氣系統(tǒng)模態(tài)并與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證CAE模型的準(zhǔn)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(jì)算各潛在吊耳位置點(diǎn)的模態(tài)位移，運(yùn)用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移理論對排氣系統(tǒng)計(jì)算得到的各階模態(tài)位移進(jìn)行加權(quán)疊加，求和后選取位移較小的位置點(diǎn)作為排氣吊耳潛在吊掛點(diǎn)。通過對排氣進(jìn)行吊掛動(dòng)態(tài)力對比分析，驗(yàn)證吊掛位置的合理性。

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

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(gè)主要的激勵(lì)源，排氣系統(tǒng)熱端直接通過法蘭連接在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的激勵(lì)，排氣系統(tǒng)本身的脈沖振動(dòng)及氣流沖擊也會(huì)產(chǎn)生較大的能量。這些振動(dòng)能量通過橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板，引起車身振動(dòng)并產(chǎn)生車內(nèi)噪聲[1-2]，直接對對車內(nèi)的NVH有貢獻(xiàn)，影響駕駛員及乘客的感觀。因此，非常有必要在設(shè)計(jì)前期就對排氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jì)的方法。本文對某SUV車型排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上，對排氣吊掛位置進(jìn)行研究，選取吊鉤最優(yōu)位置，可以在設(shè)計(jì)初期得到排氣系統(tǒng)的固有特性，同時(shí)可以預(yù)測排氣系統(tǒng)的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進(jìn)行優(yōu)化，降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有助于在樣車出來后，對排氣系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行整改優(yōu)化。

1 理論

1.1 模態(tài)振動(dòng)理論

ADDOFD（j）可獲得某個(gè)自由度在一般激勵(lì)情況下的（在某個(gè)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(diǎn)位置進(jìn)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(xì)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(diǎn)，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(jìn)行網(wǎng)格劃分，再進(jìn)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(biāo)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(jì)的剛度值。

2.2 排氣系統(tǒng) 有限元模型的建立

從設(shè)計(jì)人員處得到排氣系統(tǒng)總成的CAD數(shù)據(jù)，并進(jìn)行幾何清理，清理完后，對排氣系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。對排氣系統(tǒng)各零件進(jìn)行連接，同時(shí)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(diǎn)。

3 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析與試驗(yàn)對標(biāo)

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(jìn)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(yàn)

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(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。排氣系統(tǒng)的約束模態(tài)實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的隨機(jī)激勵(lì)法，通過獲取激勵(lì)點(diǎn)和各響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)來識(shí)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(gè)傳感器，然后在每個(gè)測點(diǎn)處用力錘進(jìn)行激振，依次完成每個(gè)測點(diǎn)的激勵(lì)測試，如下圖2所示。

從表2 可以看出：排氣系統(tǒng)CAE分析計(jì)結(jié)果與試驗(yàn)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(jìn)行后續(xù)的仿真分析。

4 對吊掛位置進(jìn)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(dòng)大小有直接影響，選擇整個(gè)排氣系統(tǒng)振動(dòng)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(qiáng)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(diǎn)的位移均不相同，因此下一步將運(yùn)用平均驅(qū)動(dòng)自由度法進(jìn)行加權(quán)位移計(jì)算。

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般在6000r/ min 以下，對應(yīng)的激勵(lì)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(shí)，可設(shè)定頻率范圍為20～200HZ。

利用Nastran 計(jì)算排氣管系統(tǒng)的自由振動(dòng)模態(tài)，將振型中這些位置的位移進(jìn)行計(jì)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(diǎn)優(yōu)化合理性驗(yàn)證

5.1 排氣系統(tǒng)靜力分析

完成排氣系統(tǒng)的懸掛點(diǎn)設(shè)計(jì)后，可以通過靜力分析來預(yù)測整個(gè)系統(tǒng)在重力作用下的應(yīng)力分布以及各懸掛點(diǎn)的載荷分布[6]。各吊掛點(diǎn)最大位移為1.35mm，各吊掛點(diǎn)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(diǎn)的位移滿足目標(biāo)（<3mm）要求;

（2）優(yōu)化吊掛位置后，各吊掛點(diǎn)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(dòng)機(jī)怠速的主要階次激勵(lì)頻率避開3Hz以上，從而降低車輛在怠速時(shí)的振動(dòng)。

該SUV的發(fā)動(dòng)機(jī)為4沖程4缸柴油機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為800rpm，故對應(yīng)的需避開的發(fā)動(dòng)機(jī)主要階次（2、4、6）激勵(lì)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(jìn)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(dòng)機(jī)2、4、6階激勵(lì)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(dòng)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(dòng)態(tài)力[4-5]，可以進(jìn)一步說明吊掛位置的合理性。

對優(yōu)化方案和原方案進(jìn)行動(dòng)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(dòng)態(tài)受力來看看：

（1）頻率為33HZ時(shí)，振動(dòng)位移較大，優(yōu)化方案效果明顯;

（2）各吊掛點(diǎn)傳遞的動(dòng)態(tài)力更加均勻并滿足目標(biāo)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(jìn)行合理簡化，建立排氣系統(tǒng)有限元模型，進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算，并對排氣系統(tǒng)進(jìn)行物理試驗(yàn)，驗(yàn)證了CAE模型的準(zhǔn)確性;

（2）基于對標(biāo)后的CAE模型，運(yùn)用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法計(jì)對該車型的排氣振動(dòng)位移，根據(jù)位移結(jié)果對排氣吊掛位置進(jìn)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(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)及動(dòng)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(dòng)態(tài)力較優(yōu)化前有所降低，且均不超過目標(biāo)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(jì)，能夠有效的降低排氣系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的影響，提升整車NVH性能。

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