某車型排氣系統(tǒng)掛鉤的靜力與動(dòng)剛度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊晉博, 傅愛軍，邱崧, 劉憶恒, 藍(lán)春波

廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西柳州 545006

0 引言

汽車排氣系統(tǒng)與車身之間通過掛鉤連接，車輛在工作時(shí)排氣系統(tǒng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)周期振動(dòng)以及不同路況的載荷影響，產(chǎn)生周期振動(dòng)影響掛鉤使用壽命，進(jìn)而通過掛鉤影響車身結(jié)構(gòu)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise、vibration、harshness，NVH)的性能指標(biāo)，因此本文通過研究排氣系統(tǒng)的掛鉤性能來確保排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性[1]。在設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)期，利用有限元方法進(jìn)行仿真分析，節(jié)省企業(yè)研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，Hypermesh平臺(tái)靈活處理簡化模型;根據(jù)軟件設(shè)置不同工況進(jìn)行模擬仿真，縮短計(jì)算時(shí)長，模擬實(shí)際工況，使計(jì)算結(jié)果貼近實(shí)際工程結(jié)果;根據(jù)原始排氣系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后期制造與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)。

1 模型處理

1.1 模型簡化

排氣系統(tǒng)熱端與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，排氣系統(tǒng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)周期性震動(dòng)影響，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)處理成剛形體，利用Mass單元模擬發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心，并用來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣系統(tǒng)的影響，將懸置與波紋管使用Hypermesh中的CBUSH單元進(jìn)行模擬簡化，采用RB2單元進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心點(diǎn)和懸置與法蘭連接。熱端連接發(fā)動(dòng)機(jī)簡化模型如圖1所示。

圖1 熱端連接發(fā)動(dòng)機(jī)簡化模型

1.2 模型有限元處理

排氣系統(tǒng)的管道部分利用Hypermesh中的抽取中面功能，對(duì)中面劃分網(wǎng)格并賦予厚度及材料屬性，對(duì)需要點(diǎn)焊部分采取Rigid單元的RB2類型進(jìn)行模擬;需要滿焊部分采取Ruled單元進(jìn)行模擬;對(duì)于外掛鉤與內(nèi)掛鉤連接吊耳采取CBUSH單元進(jìn)行模擬，模型網(wǎng)格整體采用5 mm網(wǎng)格。處理后的有限元模型有174 186個(gè)網(wǎng)格，通過OptiStruct對(duì)其進(jìn)行靜力分析以確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；然后對(duì)該排氣系統(tǒng)進(jìn)行掛鉤動(dòng)剛度分析，以確保該模型在不同頻率激勵(lì)下其掛鉤不會(huì)失效斷裂。排氣系統(tǒng)有限元模型[2]如圖2所示。

圖2 排氣系統(tǒng)有限元模型

該排氣系統(tǒng)管道部分采用SUH409L材料,掛鉤與法蘭實(shí)體部分采用Q235材料，排氣系統(tǒng)材料屬性見表1。

表1 排氣系統(tǒng)材料屬性

2 靜力及動(dòng)剛度分析

2.1 4G靜力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工況由多種不同負(fù)荷組成，通過本車相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行4G靜力學(xué)分析和汽車排氣系統(tǒng)靜力學(xué)計(jì)算[3]。4G靜力分析模擬排氣系統(tǒng)受整車的4倍重力靜載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化(下文均用4G表示)，本文主要分析掛鉤處焊縫應(yīng)力情況。計(jì)算該排氣系統(tǒng)在4G重力載荷下掛鉤處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化并進(jìn)行優(yōu)化，有助于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[4]。

排氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)總成與內(nèi)外掛鉤約束下，給車身施加4G靜力載荷，分析掛鉤處焊縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在施加4G重力載荷作用下，掛鉤焊縫應(yīng)力小于150 MPa。分析后得到1號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力為316.408 MPa,2號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力為213.279 MPa,4G靜力載荷下1～4號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力云圖如圖3所示，1號(hào)與2號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力過大，不符合企業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)，故不合格，需要進(jìn)行優(yōu)化。掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表2。

圖3 4G靜力載荷下1～4號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力云圖

表2 掛鉤焊縫最大應(yīng)力單位:MPa

2.2 動(dòng)剛度分析

車輛處于行駛狀態(tài)時(shí)，排氣系統(tǒng)受到不同路況與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等外部激勵(lì)干擾，動(dòng)剛度不足，動(dòng)剛度作為衡量部件抵抗其本身變形的能力，掛鉤的動(dòng)剛度緊密關(guān)聯(lián)該系統(tǒng)的連接可靠性，在運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)頻率與掛鉤頻率接近或者車身振動(dòng)頻率與掛鉤頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)排氣掛鉤與車身部件的共振現(xiàn)象，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)支架疲勞破壞以及對(duì)整車NVH性能造成影響。本文對(duì)其進(jìn)行動(dòng)剛度分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化。

為分析排氣系統(tǒng)具體掛鉤激勵(lì)點(diǎn)沿Z向的變化情況，故采用單自由度系統(tǒng)計(jì)算[2]。

微分方程為：

(1)

頻域方程為：

F0=(-ω2m+jωc+k)x

(2)

動(dòng)剛度為：

(3)

式中：m為質(zhì)量，t;c為阻尼，N·s/mm;x0為復(fù)常數(shù);x為位移響應(yīng)，mm;ω為激勵(lì)頻率;k為靜剛度，N/mm;Kd為動(dòng)剛度，N/mm;F為載荷，N。

速度導(dǎo)納(Mobility)分析即速度導(dǎo)納頻率響應(yīng)分析。在載荷輸入點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)取同一作用點(diǎn)觀察，在力的作用下，作用點(diǎn)的速度隨著作用力的頻率變化的速度響應(yīng)稱為速度導(dǎo)納,速度導(dǎo)納單位為dB/N。掛鉤動(dòng)剛度均值在Z向50～200 Hz范圍內(nèi),以目標(biāo)剛度500 N/mm對(duì)應(yīng)的速度導(dǎo)納作為掛鉤動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)。掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出,1號(hào)掛鉤與3號(hào)掛鉤速度超出500 N/mm速度導(dǎo)納評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，故不合格;2號(hào)掛鉤、4號(hào)掛鉤符合要求。

圖4 掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

3 優(yōu)化方案分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 掛鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4G靜力分析模擬排氣系統(tǒng)受整車4倍重力靜載荷下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化情況，分析掛鉤處焊縫應(yīng)力情況，根據(jù)云圖顯示數(shù)據(jù)得到1號(hào)掛鉤焊縫處的應(yīng)力過大。分析模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力過大的原因主要為：1號(hào)掛鉤離發(fā)動(dòng)機(jī)近，故該處位移過大，1號(hào)掛鉤受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)影響最大[5]。

掛鉤動(dòng)剛度分析表明，1號(hào)掛鉤動(dòng)剛度不符合企業(yè)要求標(biāo)配，與500 N/mm速度導(dǎo)納的目標(biāo)剛度偏差太大。結(jié)合有限元4G靜力分析與動(dòng)剛度分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，故對(duì)1號(hào)掛鉤處增加輔助掛鉤支撐。1號(hào)掛鉤優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖5 1號(hào)掛鉤優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖6 1號(hào)掛鉤優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.1.2 焊縫優(yōu)化

分析4G工況下的焊縫應(yīng)力與不同頻率下的掛鉤動(dòng)剛度，原始模型分析中掛鉤均使用單側(cè)焊接。1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤支撐，分析不同焊接方式對(duì)掛鉤性能的影響;2號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力過大對(duì)2號(hào)掛鉤的焊接方式進(jìn)行優(yōu)化;3號(hào)掛鉤動(dòng)剛度不滿足要求，通過改變焊接方式增強(qiáng)掛鉤與排氣系統(tǒng)連接;4號(hào)掛鉤滿足設(shè)計(jì)要求，故采用單側(cè)焊接，不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用原始單側(cè)焊接。表3為焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。采用2號(hào)掛鉤作為樣例,單側(cè)焊接與雙側(cè)焊接對(duì)比如圖7所示。

表3 焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖7 單側(cè)焊接與雙側(cè)焊接對(duì)比

3.2 優(yōu)化方案

3.2.1 優(yōu)化方案一

3.2.1.1 優(yōu)化方案一4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤并采用外側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm。優(yōu)化方案一焊縫應(yīng)力云圖如圖8所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表4。由分析結(jié)果可知，1號(hào)與2號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力有所下降，但仍大于150 MPa,故不合格。

圖8 優(yōu)化方案一焊縫應(yīng)力云圖

表4 優(yōu)化方案一掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

3.2.1.2 優(yōu)化方案一動(dòng)剛度分析

1號(hào)掛鉤處增加輔助掛鉤支撐并采用單側(cè)焊接方式，其余掛鉤采用單側(cè)焊接方式。該排氣系統(tǒng)的3號(hào)與4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/mm速度導(dǎo)納范圍內(nèi)，1號(hào)與2號(hào)掛鉤動(dòng)剛度仍然不符合設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化方案一掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案一掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

3.2.2 優(yōu)化方案二

3.2.2.1 優(yōu)化方案二4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤并采用外側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用雙側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm。

優(yōu)化方案二焊縫應(yīng)力云圖如圖10所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表5。由圖和表可知，1號(hào)掛鉤略微超出設(shè)計(jì)要求，基本滿足性能要求。2號(hào)與3號(hào)掛鉤滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 優(yōu)化方案二焊縫應(yīng)力云圖

表5 優(yōu)化方案二掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

3.2.2.2 優(yōu)化方案二動(dòng)剛度分析

優(yōu)化方案二掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案二掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

由圖11可知，1號(hào)掛鉤處增加輔助掛鉤支撐并采用單側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用雙側(cè)焊接方式。該排氣系統(tǒng)的2號(hào)掛鉤、3號(hào)與4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/m速度導(dǎo)納范圍內(nèi)，1號(hào)掛鉤基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 優(yōu)化方案三

3.2.3.1 優(yōu)化方案三4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤并采用雙側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm。優(yōu)化方案三焊縫應(yīng)力云圖如圖12所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表6。由圖和表可知，1號(hào)掛鉤由于采取雙側(cè)焊接方式，掛鉤焊縫應(yīng)力大幅度下降;2號(hào)掛鉤由于采取單側(cè)焊接方式，焊縫應(yīng)力超出設(shè)計(jì)要求;3號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 優(yōu)化方案三焊縫應(yīng)力云圖

表6 優(yōu)化方案三掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

3.2.3.2 優(yōu)化方案三動(dòng)剛度分析

1號(hào)掛鉤處增加輔助掛鉤支撐并采用雙側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式。該排氣系統(tǒng)的1號(hào)掛鉤、3號(hào)與4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/m速度導(dǎo)納范圍內(nèi)，2號(hào)掛鉤動(dòng)剛度仍然不滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案三掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 優(yōu)化方案三掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

3.2.4 優(yōu)化方案四

3.2.4.1 優(yōu)化方案四4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤并采用雙側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm，優(yōu)化方案四焊縫應(yīng)力云圖如圖14所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表7。

圖14 優(yōu)化方案四焊縫應(yīng)力云圖

表7 優(yōu)化方案四掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

由圖14和表7可知，1號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到61.454 MPa;2號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到85.219 MPa;3號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到37.498 MPa,1～3號(hào)掛鉤焊縫最大應(yīng)力均得到了明顯的降低，滿足企業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4.2 優(yōu)化方案四動(dòng)剛度分析

1號(hào)掛鉤處增加輔助掛鉤支撐并采用雙側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用雙側(cè)焊接，該排氣系統(tǒng)的1～4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/m速度導(dǎo)納范圍內(nèi)。優(yōu)化方案四掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖15所示。

圖15 優(yōu)化方案四掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

3.2.5 優(yōu)化方案五

3.2.5.1 優(yōu)化方案五4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤，其主掛鉤采用外側(cè)焊接方式、輔助掛鉤采用內(nèi)側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm。

優(yōu)化方案五焊縫應(yīng)力云圖如圖16所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表8。

圖16 優(yōu)化方案五焊縫應(yīng)力云圖

表8 優(yōu)化方案五掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

由圖16和表8可知，1號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到77.962 MPa;2號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到118.104 MPa;3號(hào)掛鉤的焊縫應(yīng)力降低到45.312 MPa，1～3號(hào)掛鉤均得到了明顯的降低。

3.2.5.2 優(yōu)化方案五動(dòng)剛度分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤，其主掛鉤采用外側(cè)焊接方式、輔助掛鉤采用內(nèi)側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用外側(cè)焊接方式，該排氣系統(tǒng)的1～4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/m速度導(dǎo)納范圍內(nèi)，優(yōu)化方案五掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖17所示。

圖17 優(yōu)化方案五掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

3.2.6 優(yōu)化方案六

3.2.6.1 優(yōu)化方案六4G靜力分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤，其主掛鉤采用外側(cè)焊接方式、輔助掛鉤采用內(nèi)側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用雙側(cè)焊接方式，焊縫長度為20～25 mm，優(yōu)化方案六焊縫應(yīng)力云圖如圖18所示，其掛鉤焊縫最大應(yīng)力見表9。由圖和表可知，1號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到63.727 MPa,2號(hào)掛鉤的焊縫最大應(yīng)力降低到83.719 MPa,3號(hào)掛鉤焊縫應(yīng)力也得到了明顯降低，并滿足企業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖18 優(yōu)化方案六焊縫應(yīng)力云圖

表9 優(yōu)化方案六掛鉤焊縫最大應(yīng)力 單位:MPa

3.2.6.2 優(yōu)化方案六動(dòng)剛度分析

1號(hào)掛鉤增加輔助掛鉤，其主掛鉤采用外側(cè)焊接方式、輔助掛鉤采用內(nèi)側(cè)焊接方式，2號(hào)與3號(hào)掛鉤采用兩側(cè)焊接方式。該排氣系統(tǒng)的1號(hào)掛鉤動(dòng)剛度的速度導(dǎo)納在標(biāo)準(zhǔn)線上下浮動(dòng)，剛度合格;2～4號(hào)掛鉤動(dòng)剛度總體在目標(biāo)線500 N/m速度導(dǎo)納范圍內(nèi)。優(yōu)化方案六掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果如圖19所示。

圖19 優(yōu)化方案六掛鉤動(dòng)剛度分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)對(duì)某車型排氣系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化并建立有限元模型，模擬分析4G工況下掛鉤焊縫應(yīng)力情況，分析掛鉤在一定頻率激勵(lì)下的動(dòng)剛度情況，得出該排氣系統(tǒng)掛鉤處焊縫應(yīng)力過大，動(dòng)剛度不滿足企業(yè)要求，以此進(jìn)行優(yōu)化，為1號(hào)掛鉤增加輔助支撐、將掛鉤焊縫應(yīng)力過大處由單排焊縫優(yōu)化為雙排焊縫，設(shè)計(jì)6種不同優(yōu)化方案進(jìn)行分析。

(2)優(yōu)化方案四和優(yōu)化方案六使掛鉤焊縫應(yīng)力下降，動(dòng)剛度得到改善,符合企業(yè)要求，為后期設(shè)計(jì)研發(fā)提供了有效參數(shù)。

(3)優(yōu)化方案六排氣系統(tǒng)的掛鉤性能大幅降低，焊縫少于優(yōu)化方案四，比優(yōu)化方案四更經(jīng)濟(jì)，故為最終優(yōu)化方案。