基于ABAQUS某汽車消聲器的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王永鑫，王艷

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

通過(guò)吊耳安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)下方位置的汽車消聲器會(huì)與發(fā)送機(jī)和路面等多重激振作用而發(fā)生振動(dòng)，從而帶來(lái)額外的噪聲。而且，消聲器還可能發(fā)生共振作用導(dǎo)致疲勞破壞，使消音器報(bào)廢[1]。相關(guān)研究中，劉敬平[2]等人通過(guò)試驗(yàn)法對(duì)汽車排氣及消音系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，但試驗(yàn)法測(cè)試周期長(zhǎng)、成本高，并且需要測(cè)試人員具有一定的主觀經(jīng)驗(yàn)。有限元技術(shù)的迅速發(fā)展使得數(shù)值模擬成為消聲器振動(dòng)特性分析的重要方法之一。邢素芳[3]等人采用有限元方法分析了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率和排氣系統(tǒng)的固有頻率耦合情況，改善了由于共振使得消音器排氣管開裂的問(wèn)題；戰(zhàn)申[4]等人基于軟件ABAQUS 對(duì)某商用車消聲器與其懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了自由模態(tài)分析，分析了懸掛位置的合理性，并對(duì)排氣懸掛位置進(jìn)行了優(yōu)化。

對(duì)汽車消聲器的振動(dòng)特性和優(yōu)化方法有試驗(yàn)法和仿真分析法。本文基于有限元軟件ABAQUS對(duì)某車型消聲器進(jìn)行振動(dòng)特性分析，得到消聲器約束模態(tài)結(jié)果。考慮到消聲器的工況，以提高其固有頻率為目的，對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免與外部激振作用發(fā)生共振，提高消聲器的工作性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 汽車消聲器幾何模型建立

本文以某汽車的消聲器作為分析對(duì)象。首先，根據(jù)消聲器的實(shí)物模型在SolidWorks 中創(chuàng)建三維模型，之后導(dǎo)入軟件ABAQUS，通過(guò)網(wǎng)格劃分、添加約束和加載后進(jìn)行振動(dòng)特性分析。圖1所示為本文消聲器的三維模型。消聲器材料為45鋼，彈性模量為200 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3[5]。腔體的截面為長(zhǎng)、短軸分別是260，80 mm 的橢圓形狀，腔室由2 塊隔板分為3 個(gè)腔室，長(zhǎng)度分別為110，180，140 mm；進(jìn)氣管、出氣管及內(nèi)插管的孔徑均為22.5 mm，內(nèi)插管上消音孔的孔隙率為0.3。

圖1 消聲器三維模型Fig.1 Three-dimensional model of muffler

2 消聲器模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析概述

模態(tài)分析作為一種重要的故障檢測(cè)和結(jié)構(gòu)分析方法，應(yīng)用在各大領(lǐng)域，是工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)過(guò)程的重要一環(huán)[6]。模態(tài)分析可分為自由和約束模態(tài)分析兩種。實(shí)質(zhì)上，對(duì)給定機(jī)械系統(tǒng)的模態(tài)分析是將該系統(tǒng)的力學(xué)方程組中物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)的坐標(biāo)進(jìn)行求解，得到模態(tài)參數(shù)。模態(tài)與是否受外力和外力的大小無(wú)關(guān)，由其材料屬性和結(jié)構(gòu)決定。

對(duì)任意一個(gè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微分方程為

式中：[M]，[C]，[K]——質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；F（t）——外界激勵(lì)載荷矩陣；x（t）——廣義向量。

若分析自由模態(tài)，即不考慮外界載荷的影響時(shí)，可將式（1）簡(jiǎn)化為

根據(jù)式（2）求解，可以得到該消音器的各階固有頻率及振型。

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

同一系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受約束方式的影響，其模態(tài)也變化較大，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析前需要分析系統(tǒng)的約束，才能在仿真模型中添加正確的約束邊界條件?？紤]到本文消聲器與汽車懸掛的連接方式，可以得到該消聲器有3 處約束，分別是進(jìn)氣口與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接約束、兩吊耳與汽車懸掛的連接約束，如圖2 所示。

圖2 消聲器結(jié)構(gòu)的3 處約束位置Fig.2 Three restraint positions of muffler structure

在ABAQUS 中，利用軟件網(wǎng)格劃分模塊對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)的整個(gè)計(jì)算域劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的精度和質(zhì)量會(huì)對(duì)振動(dòng)特性分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，過(guò)少和較大的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致結(jié)果和實(shí)際相差較大，本文仿真考慮到圓角結(jié)構(gòu)對(duì)模態(tài)分析過(guò)程影響，將網(wǎng)格劃分為單元類型為C3D10、節(jié)點(diǎn)數(shù)為177 934 和單元數(shù)為91 435 的四面體網(wǎng)格，如圖3 所示。

圖3 消聲器結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.3 Muffler structure meshing

2.2.2 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，任意系統(tǒng)都具有無(wú)限階的固有頻率，但工程實(shí)踐中影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的只有前幾階固有頻率[7]，所以本文對(duì)消聲器振動(dòng)特性的有限元分析后導(dǎo)出前6 階固有頻率和振型，如表1 所示。

表1 消聲器前6 階固有頻率和振型特征Tab.1 The first 6-order natural frequency and mode characteristics of muffler

由表1 可知，消聲器的約束條件從1 到6 階固有頻率為271.18～1 260.8 Hz。如圖4 所示為消聲器的前6 階振型圖。由圖4 可知，每一階的共振部分和振型變形量的大小不同。由于兩吊耳和進(jìn)氣管有約束，因此其周邊沒(méi)有出現(xiàn)較大的振幅，這與消聲器的正常工況相符合。

圖4 消聲器前6 階振型圖Fig.4 The first 6-order mode of the muffler

3 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在保證消聲器進(jìn)出口流量等性能參數(shù)不變的前提下，本文對(duì)現(xiàn)有的消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計(jì)方案A：由于輕質(zhì)材料鈦合金在汽車輕量化方向已被廣泛使用[8]，此方案將原有的材料替換為鈦合金材料；設(shè)計(jì)方案B：考慮到進(jìn)出氣口是以焊接的方式固定在腔體上，此優(yōu)化方案在進(jìn)出氣口周邊增設(shè)厚度為5 mm 的三角形加強(qiáng)筋，如圖5 所示；設(shè)計(jì)方案C：考慮到消聲器屬于薄壁類車聲零件，此優(yōu)化方案中將進(jìn)出氣口和腔體外壁進(jìn)行加厚2 mm 處理，如圖6 所示。

圖5 設(shè)計(jì)方案B 的三維模型Fig.5 Three-dimensional model of design plan B

圖6 設(shè)計(jì)方案C 的三維模型Fig.6 Three-dimensional model of design plan C

3.2 優(yōu)化方案結(jié)果分析

基于前文所述的動(dòng)態(tài)特性分析方法，對(duì)3 種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，得到3 種設(shè)計(jì)方案的前6 階固有頻率，并計(jì)算了各個(gè)方案相對(duì)原方案的增加比率，如表2 所示。

表2 3 種設(shè)計(jì)方案固有頻率值和增加比率Tab.2 Natural frequency and increase ratio of three design schemes

由表2 可知，相對(duì)于原裝的消聲器，設(shè)計(jì)方案A 從1～6 階固有頻率均有所降低，平均降低比率為2.60%。仿真結(jié)果表明：鈦合金材料由于其密度低的特點(diǎn)在汽車輕量化方向發(fā)揮重要作用，但其振動(dòng)特性相對(duì)鋼材料有待改善；設(shè)計(jì)方案B從1 至6 階固有頻率均有所增加，平均增加比率為1.63%，此方案滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求；設(shè)計(jì)方案C 的1 階、4 階、5 階和6 階固有頻率都有所增加，但2 階和3 階固有頻率有一定幅度的降低。因此，從消聲器使用壽命角度考慮，設(shè)計(jì)方案B 即在進(jìn)出氣口周邊增設(shè)厚度為5 mm 的三角形加強(qiáng)筋，顯然能夠有效改善共振問(wèn)題的產(chǎn)生，確保消聲器工作的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文以某汽車消聲器為研究對(duì)象，將基于三維軟件SolidWorks 建立的消聲器幾何模型導(dǎo)入至有限元軟件ABAQUS 對(duì)消聲器進(jìn)行了約束模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示該消聲器的基頻（1 階固有頻率）為271.18 Hz，1～6 階固有頻率依次增大，6 階固有頻率大小為1 260.8 Hz。本文對(duì)該消聲器提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)出氣口周邊增設(shè)厚度為5 mm 的三角形加強(qiáng)筋，能使消音器的各階固有頻率都提高，基頻提高0.6%，1～6 階總體提高1.63%，為改進(jìn)汽車噪聲和振動(dòng)性能提供參考和幫助。