基于Ansysworkbench汽車(chē)排氣系統(tǒng)模態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙丙文

摘要：本文以某乘用車(chē)排氣系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用Ansys workbench有限元分析對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模，通過(guò)排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析，得到了系統(tǒng)的固有頻率。然后，為了使排氣系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，對(duì)系統(tǒng)的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了系統(tǒng)的整體剛度。最后對(duì)優(yōu)化后的數(shù)模重新計(jì)算，結(jié)果表明滿(mǎn)足其模態(tài)要求。

Abstract： Taking the exhaust system of certain passenger car as the research object， a FEM simulation model was established in this study using Ansys workbench to analyze the system modal for acquiring its natural frequency. Then， for the purpose of making the natural frequency of exhaust system away from engine exciting frequency， the structure of bracket was optimized in order to increase the overall stiffness of the system. Finally， the recalculation results indicated that the optimized model meets the expected modal requirements.

關(guān)鍵詞：Ansys workbench;排氣系統(tǒng);模態(tài)分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words： Ansys workbench;exhaust system;modal analysis;optimizing design

0 ?引言

排氣系統(tǒng)作為汽車(chē)重要組成部分，它的主要作用是排放發(fā)動(dòng)機(jī)工作所產(chǎn)生的廢氣，同時(shí)使排出的廢氣污染減少，噪音減小[1]。由于排氣系統(tǒng)的熱端通過(guò)法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管連接，冷端通過(guò)支架、吊耳或抱箍與變速箱、車(chē)身連接，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞給排氣系統(tǒng)，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)產(chǎn)生共振，排氣系統(tǒng)的固有頻率必須在發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速到最高轉(zhuǎn)速的激勵(lì)頻率范圍之外，這就要求對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，找出其固有頻率是有必要的。

目前利用CAE工具對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋了汽車(chē)設(shè)計(jì)到制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括汽車(chē)的設(shè)計(jì)校核、整車(chē)的實(shí)體造型、車(chē)身的三維設(shè)計(jì)、汽車(chē)零部件的數(shù)控加工、整車(chē)的振動(dòng)和疲勞分析、以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)代替實(shí)車(chē)測(cè)試和破壞性碰撞試驗(yàn)等[2]。本文以某乘用車(chē)上的三元催化轉(zhuǎn)化器為研究對(duì)象，運(yùn)用Ansys workbench有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，求出模態(tài)頻率及振型。Ansys workbench軟件與傳統(tǒng)的Ansys分析軟件主要有以下三個(gè)不同點(diǎn)：①客戶(hù)化，Ansys workbench像PDM那樣，利用與仿真相關(guān)的API，根據(jù)用戶(hù)的產(chǎn)品研發(fā)流程特點(diǎn)開(kāi)發(fā)實(shí)施形成仿真環(huán)境，而且用戶(hù)自主開(kāi)發(fā)的API與Ansys已有的API平等;②集成性，Ansys workbench把求解器看作一個(gè)組件，不論由哪個(gè)CAE公司提供的求解器都是平等的，在workbench中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)可直接調(diào)用;③參數(shù)化，workbench不僅可以直接使用異構(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，而且建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。

1 ?排氣系統(tǒng)建模

1.1 建立幾何模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件Creo建立三元催化器的幾何模型，為了在仿真分析前處理中減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量，降低仿真計(jì)算的時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的前提下，有必要對(duì)排氣系統(tǒng)的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如刪除裝配體中的螺栓、螺母、催化劑，去除氧傳感器座、排溫傳感器座等不重要零件的倒角和倒圓角。在對(duì)重要零件進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，需要注意盡量和原始幾何特征保持一致，以反映真實(shí)零件的結(jié)構(gòu)特征[3]。簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1所示。

1.2 建立有限元模型

利用Ansys workbench有限元分析軟件建立三元催化器的有限元模型。幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件后，要對(duì)模型進(jìn)行前處理，前處理包括模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、賦材料屬性、載荷及約束施加等。

排氣系統(tǒng)一般由排氣管、催化轉(zhuǎn)化器、氧傳感器座、消音器和排氣尾管等組成，大部分零件都是薄壁件，厚度不超過(guò)2mm，對(duì)于薄壁件可以提取中性面，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分;CAD模型在導(dǎo)入到有限元分析軟件后，模型會(huì)有部分缺陷，比如隔熱罩、端錐等異形件，會(huì)有破面、硬邊、硬點(diǎn)、小面等幾何缺陷，在workbench中利用特征修復(fù)工具對(duì)這些幾何缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量;對(duì)排氣系統(tǒng)中用焊接連接的零件進(jìn)行接觸設(shè)置，在不考慮焊縫強(qiáng)度的前提下，對(duì)相互連接的零件采用“綁定”進(jìn)行約束，模擬焊接連接;裝配體中的螺栓，采用梁?jiǎn)卧?，并?duì)梁?jiǎn)卧x予長(zhǎng)度、截面屬性;不考慮催化劑的變形等影響，對(duì)刪除的催化劑用質(zhì)量點(diǎn)代替，并賦予質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量信息，其位置為三元催化器的質(zhì)心位置。

排氣系統(tǒng)的材料主要是Q235碳素鋼和409L耐熱鋼，材料的參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)法蘭賦予Q235材料，其余用409L耐熱鋼進(jìn)行仿真分析。

對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格基本尺寸為5mm，通過(guò)設(shè)置各個(gè)零件的全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格，使得所有網(wǎng)格達(dá)到質(zhì)量要求。排氣系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

2 ?模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析和實(shí)驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表示，在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)可定義為力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征向量，其物理意義是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)固有頻率和振型[4]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)公司提供的轉(zhuǎn)速范圍為650到5500rpm/min，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率根據(jù)下面公式計(jì)算得出：

式中，i為氣缸數(shù)，i=3;n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，按最大轉(zhuǎn)速n=5500;對(duì)于四沖程的內(nèi)燃機(jī)，τ=2。根據(jù)上式計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)最大的激勵(lì)頻率為137.5Hz。利用Ansys workbench軟件中的Modal模塊對(duì)此排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)于運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的只是前面幾階模態(tài)，所以計(jì)算時(shí)取前6階進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的排氣系統(tǒng)模態(tài)頻率如表2所示，部分振型如圖3所示。

從以上論述中可知，排氣系統(tǒng)的第1階固有頻率要設(shè)計(jì)成發(fā)動(dòng)機(jī)最大激勵(lì)頻率以上，從仿真計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，排氣系統(tǒng)第1階的模態(tài)頻率為165.28Hz，通過(guò)計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率為137.5Hz，雖然超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率，但考慮模態(tài)和模態(tài)之間的相互影響，一般經(jīng)驗(yàn)上要考慮1.5倍的安全因子，即排氣系統(tǒng)的第1階模態(tài)頻率超過(guò)200Hz。顯然目前排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體剛度，以此來(lái)提高系統(tǒng)的固有頻率。

3 ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的兩支架為不銹鋼鈑金件，厚度為4mm，剛度較差，且無(wú)任何輔助支撐。根據(jù)排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)位置及周邊邊界條件，對(duì)該排氣系統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。將支架設(shè)計(jì)為鑄造件，材料為球鐵，厚度為8mm。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對(duì)優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)模型再次重新進(jìn)行模態(tài)分析，邊界條件與原始模型仿真保持一致，仿真結(jié)果如表3所示。

對(duì)比模型優(yōu)化前后的仿真結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的第1階模態(tài)頻率為273.55Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大激勵(lì)頻率137.5Hz，且超過(guò)1.5倍最大激勵(lì)頻率，有效避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速到最高轉(zhuǎn)速的頻率范圍，滿(mǎn)足排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 ?結(jié)論

通過(guò)Ansys workbench有限元分析軟件對(duì)某乘用車(chē)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了系統(tǒng)的固有頻率，并與計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)最大激勵(lì)頻率比較，為避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，對(duì)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次計(jì)算的結(jié)果表明排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率，即排氣系統(tǒng)的振動(dòng)不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)生耦合而發(fā)生共振現(xiàn)象。本文的研究為排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)，避免了在設(shè)計(jì)后期排氣系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，大大減少設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。

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