乘用車排氣掛鉤動剛度分析及優(yōu)化

柏國杰，李龍偉 ，黃傳海 ，彭和飄

(1.柳州坤菱科技有限公司，廣西 柳州545616；2.柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545616)

0 前言

白車身是整個汽車最基礎(chǔ)的系統(tǒng)，由框架和板結(jié)構(gòu)組成[1]。振動激勵源都作用在白車身上，使車內(nèi)產(chǎn)生噪聲振動，因此白車身對整車噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)性能至關(guān)重要。排氣系統(tǒng)通過排氣掛鉤搭接在車身上，前端與發(fā)動機相連，承受著發(fā)動機高壓高溫氣體沖擊[2]。因此，排氣掛鉤對于白車身也是1個激勵點，若其動剛度低，白車身容易被激勵起來，同時通過結(jié)構(gòu)向車內(nèi)傳遞噪聲。

1 存在問題

某乘用車車型在開發(fā)階段試制樣車時對白車身動剛度進行測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中1個掛鉤Z向動剛度未滿足目標(biāo)要求。圖1為排氣掛鉤動剛度測試傳感器布置圖。

圖1 排氣掛鉤動剛度測試

將測試的數(shù)據(jù)進行處理分析，得到的加速度響應(yīng)曲線和等效動剛度如圖2所示。由圖2可以看出：測試的加速度響應(yīng)高于目標(biāo)加速度曲線，且等效動剛度(326 N/mm)未滿足設(shè)計目標(biāo)(≥500 N/mm)。排氣掛鉤動剛度未滿足目標(biāo)要求，存在NVH問題的風(fēng)險，需要優(yōu)化。

圖2 排氣掛鉤動剛度測試加速度曲線

2 仿真分析

2.1 有限元模型建立

基于試驗對應(yīng)的數(shù)模進行有限元模型的搭建，白車身2D網(wǎng)格按8 mm×8 mm標(biāo)準(zhǔn)劃分；排氣掛鉤劃分3D六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 mm×2 mm×2 mm。車身鈑金之間采用六面體實體單元和柔性單元(ACM)組合模擬點焊連接，螺栓孔及燒焊連接采用線性剛性單元(RBE2)模擬。搭建的掛鉤模型如圖3所示。

圖3 排氣掛鉤有限元分析模型

2.2 理論分析

采用加速度頻率響應(yīng)函數(shù)對動剛度進行分析，分析時主要考察的頻率范圍為20～400 Hz。加速度頻率響應(yīng)函數(shù)又稱加速度導(dǎo)納，它是指在單位力作用下，作用點沿力作用方向的加速度隨力作用頻率的變化[1]，加速度導(dǎo)納的計算公式為：

EIPI=α/F

(1)

式中：EIPI為加速度導(dǎo)納；a為加速度；F為激勵力。

動剛度的計算公式為：

Ka=F(ω)/X(ω)

(2)

式中：Ka為動剛度；F(ω)為振力幅函數(shù)；ω為迫振動圓頻率；X(ω)為位移響應(yīng)函數(shù)。

式1和式2結(jié)合可以得到加速度導(dǎo)納的表達式為：

(3)

式中：f為頻率。

如果加速度導(dǎo)納曲線所包含的面積與對應(yīng)的動剛度的加速度曲線所包含的面積相等，則以計算得到的等效動剛度作為動剛度，具體表達式為：

S等效=SIPI=∑EIPI·Δf

(4)

式中：S等效為等效動剛度的加速度曲線所包含的面積；SIPI為加速度導(dǎo)納曲線所包含的面積。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖4為該仿真模型的Z向動剛度分析加速度曲線結(jié)果，經(jīng)計算得到等效動剛度為352 N/mm，未滿足設(shè)計目標(biāo)要求(≥500 N/mm)；當(dāng)該掛鉤受外界激勵時，容易產(chǎn)生振動，帶來NVH問題，故需要對此掛鉤進行優(yōu)化。從圖4可以看出：仿真的加速度曲線與測試的加速度曲線趨勢基本一致，表明仿真分析具有一定的可靠性和指導(dǎo)性，可以通過仿真手段尋求優(yōu)化方案。

圖4 排氣掛鉤仿真模型Z向加速度曲線

3 診斷優(yōu)化

3.1 工作變形分析(ODS)診斷

工作變形分析(ODS)為結(jié)構(gòu)在某特定頻率下的工作變形。排氣掛鉤仿真分析Z向加速度曲線如圖5所示[3]。由圖5可以看出：在頻率為388 Hz時加速度響應(yīng)最大，其動剛度最低，故分析排氣掛鉤在388 Hz時的工作變形位移云圖，如圖6所示。

圖5 排氣掛鉤Z向加速度曲線

圖6 排氣掛鉤工作變形云圖

從工作變形云圖分析，為提高排氣掛鉤的Z向動剛度，可以通過加強排氣掛鉤剛度或橫梁局部區(qū)域剛度的方法進行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案

仿真分析及試驗結(jié)果都表明該排氣掛鉤Z向動剛度未滿足設(shè)計目標(biāo)，在實車中很有可能會帶來NVH問題。結(jié)合工作變形云圖分析，提出了3種方案對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

方案1為延長排氣掛鉤桿的加強桿，加強排氣掛鉤的剛度，如圖7所示。

圖7 排氣掛鉤優(yōu)化方案1

方案2為排氣掛鉤安裝板橫向加長約25 mm，縱向加長約15 mm，添加5個焊點，提升排氣掛鉤搭接區(qū)域的剛度，如圖8所示。

圖8 排氣掛鉤優(yōu)化方案2

方案3為在排氣掛鉤安裝的橫梁板左側(cè)添加類似右側(cè)凹筋條特征，筋條深度約2 mm，通過加強橫梁的剛度來提升排氣掛鉤的剛度，如圖9所示。

圖9 排氣掛鉤優(yōu)化方案3

3.3 優(yōu)化方案分析結(jié)果分析

3種優(yōu)化方案的動剛度分析結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出：方案2和方案3均滿足了設(shè)計目標(biāo)要求，其加速度響應(yīng)基本都小于500 N/mm的加速度響應(yīng)，其等效動剛度大于500 N/mm。經(jīng)過分析，3種方案均對排氣掛鉤的Z向動剛度性能有所提升。

圖10 排氣掛鉤優(yōu)化方案仿真結(jié)果

結(jié)合實際工程需求分析，方案2增加了0.04 kg質(zhì)量，額外添加5個焊點的工藝；方案3對大橫梁板添加筋條，不增加質(zhì)量用料。從成本和工藝上的考慮，最終選擇實施方案3。

3.4 方案驗證

在樣車上選擇實施方案3，測試的加速度響應(yīng)結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出：實際方案3的加速度響應(yīng)在頻率為300 Hz以下低于目標(biāo)值；方案3的等效動剛度為551 N/mm，滿足目標(biāo)要求。

圖11 排氣掛鉤方案3試驗加速度曲線

4 結(jié)語

在白車身加速度導(dǎo)納動剛度測試中，發(fā)現(xiàn)某個排氣掛鉤Z向動剛度未能滿足設(shè)計目標(biāo)要求；結(jié)合測試白車身的3D模型，搭建其白車身有限元模型，對該排氣掛鉤動剛度進行仿真分析。

通過對所搭建的模型仿真結(jié)果及ODS工作位移診斷，提出仿真優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進行仿真分析，結(jié)合實際工程及工藝后選擇加筋條的優(yōu)化方案。

對所選擇的方案再次進行白車身動剛度試驗，結(jié)果滿足目標(biāo)要求，驗證了仿真中加筋條方案的合理性和有效性。