基于OptiStruct 的排氣系統(tǒng)隔熱罩形貌優(yōu)化設計

趙玲杰 譚正生 眭超亞 馮仕福

重慶化工職業(yè)學院 重慶市 401228

1 引言

排氣系統(tǒng)的作用是從發(fā)動機處導出廢氣，使廢氣對環(huán)境的影響達到可接受的水平，同時保證高溫廢氣不影響整車的安全。在有些部位排氣系統(tǒng)溫度較高，而且距離整車其他部件又較近，這樣就存在熱害風險，影響整車安全。常見的解決辦法就是在排氣系統(tǒng)溫度較高的區(qū)域增加隔熱罩，阻擋熱量的傳遞。隔熱罩的形式多樣，常見的多為薄壁鈑金結構，由不銹鋼材料沖壓成型。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各大主機廠和零部件供應商都在降低成本和提升質(zhì)量方面進行深入探索，這就要求企業(yè)研發(fā)人員必須掌握科學全面的設計思路和設計方法，能夠快速準確的設計出合理且能夠滿足設計標準的產(chǎn)品，在排氣系統(tǒng)隔熱罩設計方面使用形貌優(yōu)化設計方法能夠?qū)崿F(xiàn)該目標。

形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，即在板形結構中尋找最優(yōu)的加強筋分布，用于薄壁結構件的加強筋設計，在減輕結構重量的同時又能滿足強度、頻率等要求。形貌優(yōu)化迭代過程中在可設計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點的擾動生成加強筋。

2 初始方案隔熱罩模態(tài)分析

2.1 隔熱罩設計要求

排氣系統(tǒng)與發(fā)動機相連，發(fā)動機在轉(zhuǎn)動過程中，會產(chǎn)生慣性力，相當于一個激勵源，可引起排氣系統(tǒng)隔熱罩的振動，當振動幅度較大時可能導致排氣系統(tǒng)隔熱罩的斷裂或異響，因此在設計排氣系統(tǒng)隔熱罩時要求隔熱罩的一階固有頻率必須避開發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速對應的激振頻率。

發(fā)動機激振頻率可按下式計算：

式中 z——發(fā)動機缸數(shù)

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速

τ——發(fā)動機沖程數(shù)

該車型排氣系統(tǒng)使用的發(fā)動機排量為1.6 L，發(fā)動機缸數(shù)為4 缸，沖程數(shù)為4 沖程，最高轉(zhuǎn)速為6000RPM，根據(jù)上述公式計算的發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速對應激振頻率為200Hz，因此本文在設計隔熱罩的時候要求隔熱罩的一階固有頻率大于200Hz。

2.2 網(wǎng)格劃分

該車型排氣系統(tǒng)隔熱罩在消聲器上部，通過螺栓和加強支架安裝在消聲器筒體上。隔熱罩外形根據(jù)消聲器筒體的形狀和熱害要求進行設計，厚度為0.5mm，采用有限元理論殼單元進行模擬。首先對隔熱罩數(shù)模進行抽中面處理，然后對抽取的中面進行必要的幾何清理，再進行網(wǎng)格劃分。在有限元分析中，網(wǎng)格起著非常重要的作用，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞決定求解的時間和精度。根據(jù)隔熱罩的尺寸選取單元基本尺寸為5mm，隔熱罩主體區(qū)域使用四邊形單元，部分區(qū)域使用三角形單元進行過渡。共生成單元5354 個，其中四邊形單元5200 個，三角形單元154 個，三角形單元占比2.88%，滿足小于5%的要求。這里通過剛性單元RBE2 模擬螺栓，在螺栓孔處通過washer 進行擴孔以方便RBE2 單元的連接，RBE2 單元共4 個。最終的有限元模型如圖1 所示。

圖1 排氣系統(tǒng)隔熱罩有限元模型

2.3 隔熱罩模態(tài)分析及結果

隔熱罩材料為SUH409L 不銹鋼，直接使用HyperWorks 軟件中的MAT1 材料，即線性各向同性材料，其力學性能參數(shù)如下：彈性模量E=2.1×10Mpa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9×10t/mm。通過PSHELL 屬性賦予隔熱罩厚度0.5mm。由于該隔熱罩通過螺栓和加強支架安裝在消聲器筒體上，因此約束螺栓孔處6 個方向的自由度進行約束模態(tài)計算。通過EIGRL 卡片設置求解隔熱罩的前2 階固有頻率。設置完成后提交OptiStruct求解器進行計算。

通過計算可知該排氣系統(tǒng)初始方案隔熱罩一階固有頻率為181.9Hz，二階固有頻率為204.2Hz（如圖2、圖3），其中一階固有頻率為181.9Hz 小于標準200Hz，不滿足要求，根據(jù)經(jīng)驗需要對隔熱罩進行增加加強筋優(yōu)化。

圖2 隔熱罩一階固有頻率結果

圖3 隔熱罩二階固有頻率結果

3 隔熱罩形貌優(yōu)化

針對隔熱罩一階固有頻率不滿足設計要求，對隔熱罩進行形貌優(yōu)化，以確定最佳的加強筋的位置和形狀，提高隔熱罩的剛度。

現(xiàn)有的結構優(yōu)化方法大多以有限元法為基礎，主要包括尺寸參數(shù)優(yōu)化、形貌優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等。優(yōu)化設計就是從多種方案中選擇最佳方案的設計方法。它以數(shù)學中的最優(yōu)化理論為基礎，以計算機為手段，根據(jù)設計所追求的性能目標，建立目標函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)的設計方案。優(yōu)化設計有三個要素，即設計變量、約束條件、優(yōu)化目標。

3.1 形貌優(yōu)化設計流程

以隔熱罩初始方案分析結果為基礎，對隔熱罩進行形貌優(yōu)化設計，得到形貌優(yōu)化結果，再結合加工工藝性能確定最終優(yōu)化方案，最后對確定的優(yōu)化方案進行計算驗證，整個形貌優(yōu)化設計流程如圖4 所示。

圖4 形貌優(yōu)化設計流程

3.2 設計變量

針對隔熱罩的形貌優(yōu)化，設計變量為設計區(qū)域節(jié)點的擾動?？紤]到隔熱罩需要通過螺栓與消聲器筒體上的加強支架相連接，對螺栓孔及其附近的區(qū)域進行固定，不設置加強筋優(yōu)化，將優(yōu)化區(qū)域定義為圖5 中區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3。這三個區(qū)域中節(jié)點的擾動就是我們的設計變量。

圖5 優(yōu)化區(qū)域劃分

3.3 約束條件

形貌優(yōu)化的約束條件主要是加強筋的寬度、加強筋的高度、拔模角等參數(shù)，根據(jù)單元尺寸的大小確定最小起筋寬度B=10mm，起筋角為θ=75°，并根據(jù)沖壓加工工藝及其材料成型特性確定起筋的最大高度為H=5mm，如圖6 所示?？紤]該隔熱罩為對稱形狀，對加強筋的形狀增加對稱約束。

圖6 加強筋參數(shù)

3.4 優(yōu)化目標

由于該排氣系統(tǒng)隔熱罩第一階固有頻率為181.9Hz，不滿足設計要求，在形貌優(yōu)化設計過程中將一階固有頻率最大定義為優(yōu)化目標。在迭代的過程中盡可能提高隔熱罩的一階固有頻率。

3.5 計算結果及優(yōu)化方案

經(jīng)過17 次的迭代計算，得到最終優(yōu)化結果云圖如圖7 所示。該云圖顯示了需要增加加強筋的位置以及加強筋的起筋高度。云圖中紅色的區(qū)域表示加強筋高度較大的地方，隨著顏色的變淺，表示該區(qū)域加強筋高度變低，藍色區(qū)域表示不需要增加加強筋的區(qū)域。OptiStruct 軟件在優(yōu)化迭代的同時，計算最終優(yōu)化方案隔熱罩一階固有頻率為305.9Hz（如圖8 所示），大于200Hz，滿足設計要求。根據(jù)優(yōu)化結果應用OSSmooth 工具可以獲得形貌優(yōu)化的幾何圖形，該工具能夠得到比較光滑的幾何圖形。通過設置里面的起筋閾值、平滑算法和表面縮量角等參數(shù)，生成隔熱罩起筋的集合圖形，如圖9 所示。

圖7 優(yōu)化結果云圖

圖8 優(yōu)化后的一階固有頻率

圖9 優(yōu)化方案初始幾何形狀

4 隔熱罩形貌優(yōu)化結果工藝化

基于形貌優(yōu)化的結果，考慮沖壓加工工藝和加工成本，在此基礎上進行局部修改細化，將加強筋邊緣的R 角增大，將加強筋整體過渡均勻，最終得到優(yōu)化方案如圖10 所示。重新對優(yōu)化方案進行網(wǎng)格劃分、邊界條件加載，并進行模態(tài)分析計算（優(yōu)化后有限元模型如圖11 所示），得到隔熱罩的一階固有頻率為274.2Hz（如圖12 所示），比初始方案提高了92.3Hz，且大于200Hz，滿足設計要求。

圖10 優(yōu)化方案工藝化后幾何形狀

圖11 優(yōu)化方案工藝化后分析模型

圖12 最終優(yōu)化方案隔熱罩一階固有頻率結果

5 結論

1）為了使隔熱罩的一階固有頻率避開發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速對應的激振頻率，可以通過形貌優(yōu)化的方法提高隔熱罩的一階固有頻率。

2）以排氣系統(tǒng)隔熱罩為基礎，使用OptiStruct 的形貌優(yōu)化技術，初步得到了加強筋形狀設計方案。考慮實際生產(chǎn)工藝性，對該加強筋的形狀做了局部調(diào)整，得到最終的加強筋形狀。

3）對隔熱罩增加加強筋后重新分析計算，一階固有頻率為274.2Hz，比初始方案提高了92.3Hz，且大于標準設置的200Hz，達到標準要求。

4）本文為排氣系統(tǒng)隔熱罩加強筋的設計探索了一定的方法，同時也積累了一定的經(jīng)驗，為今后相關產(chǎn)品加強筋的設計提供了一定的參考。