HyperMesh汽車排氣系統(tǒng)模態(tài)及懸掛點布置分析

2017-01-05  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:為減小汽車排氣系統(tǒng)吊掛點位置對整車NVH性能的影響,本文采用HyperMesh軟件對某汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行了有限元建模,通過模態(tài)分析結(jié)果,利用平均驅(qū)動自由度位移法對排氣系統(tǒng)吊掛位置進(jìn)行布置,并對排氣系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,將計算出來的理論吊掛位置與該車實際吊掛位置的頻率響應(yīng)分析結(jié)果相對比,考察兩次分析結(jié)果中振動響應(yīng)的區(qū)別,為今后的研究提供經(jīng)驗參考。

1 引言

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,人們對汽車的要求越來越高。結(jié)構(gòu)緊湊、寬敞舒適、NVH性能良好的汽車受到普遍歡迎。汽車排氣系統(tǒng)作為汽車乘坐舒適性的主要影響因素之一,其振動問題得到了廣泛的重視。汽車排氣系統(tǒng)一般通過法蘭和吊耳分別與發(fā)動機(jī)排氣歧管以及車身地板相連。由于受到發(fā)動機(jī)本身振動和排氣激勵的影響,排氣管振動相對較大。排氣系統(tǒng)的振動會通過掛鉤和吊耳引起車身地板的振動,從而嚴(yán)重影響整車舒適性,而且在整車開發(fā)后期,由于底盤的布置往往會造成吊耳的懸掛點不一定處于最理想的位置。采用CAE方法,可以有效地預(yù)測掛鉤位置對整車NVH的影響。

本文應(yīng)用美國Altair公司的HyperWorks軟件,建立了某汽車排氣系統(tǒng)有限元模型,通過模態(tài)分析求得排氣系統(tǒng)固有振型,后運用平均驅(qū)動自由度位移法對排氣系統(tǒng)吊掛點進(jìn)行布置,并對排氣系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,將計算出來的理論吊掛點與實際吊掛點的頻率響應(yīng)結(jié)果相對比,最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動機(jī)Z向激勵時,實際模型在Z向的加速度響應(yīng)比理論模型略差,但介于理論模型吊掛點所處位置為油箱安裝位置,不能布置排氣吊掛,實際模型將其布置在靠近理論計算點的副車架上,而副車架與車身支架之間有橡膠懸置,故布置更為合理。

2 汽車排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1汽車排氣系統(tǒng)有限元建模
汽車排氣系統(tǒng)一般由五部分組成:三元催化器、波紋管、前后消聲器、法蘭及連接管道。
l 三元催化器:內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,簡化為集中質(zhì)量單元和RBE2單元,集中質(zhì)量位于其幾何中心。
l 波紋管:波紋管具有撓性,有位移補(bǔ)償和減振的作用,其簡化方式有多種,常見的有簡化成彈簧單元和管單元,輸入各個方向的剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。波紋管簡化成彈簧時,波紋管的每個方向由一個彈簧黏性阻尼器組成,波紋管包含三個方向的剛度和阻尼;簡化成薄壁管單元時,根據(jù)波紋管的實驗數(shù)據(jù)來定義其等效的彈性模量和密度。
l 消聲器:采用殼體單元對消聲器進(jìn)行有限元建模。由于消聲器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故建模時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,雙層殼體簡化為單層,保持總厚度不變。隔板,穿孔管上的小孔忽略等。
l 連接法蘭及掛鉤:法蘭通常采用實體單元模擬,將法蘭間的橡膠密封墊省略,兩法蘭間采用RBE2進(jìn)行連接。
l 橡膠吊耳:考慮到橡膠特性的復(fù)雜性,橡膠吊耳通常簡化成彈簧,在局部坐標(biāo)系中包含三個方向的剛度和阻尼。

基于上述建模原則,本文建立的排氣系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示。

汽車汽油機(jī)主要轉(zhuǎn)速范圍是700~6000r/min,對于四缸四沖程發(fā)動機(jī)來說,其激勵范圍是23~200Hz。本文計算了0~200Hz范圍內(nèi)排氣系統(tǒng)有限元模型的固有頻率和振型,其模態(tài)分析結(jié)果如表1。

下圖2為該汽車排氣系統(tǒng)的前四階模態(tài)位移分布云圖,分別是排氣系統(tǒng)的一階橫向彎曲、一階垂向彎曲、二階橫向彎曲、二階垂向彎曲模態(tài)。

本文用平均驅(qū)動自由度位移的方法對汽車排氣系統(tǒng)吊掛點進(jìn)行優(yōu)化布置分析。利用自由模態(tài)振型結(jié)果,將各階模態(tài)振型加權(quán)后求和,將平均驅(qū)動自由度位移較小的點作為排氣系統(tǒng)參考吊掛點。沿排氣系統(tǒng)有限元模型選取一系列節(jié)點,共582個節(jié)點作為模態(tài)分析輸出點,如圖3所示為整個排氣系統(tǒng)輸出點及局部輸出點示意圖。

圖4 排氣系統(tǒng)輸出點平均驅(qū)動自由度位移分布圖
分析結(jié)果顯示:輸出點編號為130,330,500的節(jié)點處,即圖4中位置1、2、3處平均驅(qū)動自由度位移相對較小,推薦這些位置作為排氣系統(tǒng)掛鉤的吊掛點。如圖5所示,對于輸出點330所在位置,比實際吊掛位置靠前,但該點處于汽車油箱所在位置,無法布置吊掛點,故選擇在節(jié)點330附近副車架的位置布置吊掛點,如圖6所示;

4 排氣系統(tǒng)振動傳遞函數(shù)分析

本文對排氣系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行模態(tài)頻率響應(yīng)分析,排氣系統(tǒng)與車身地板相連吊掛處施加約束DOF1-6,排氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)相連點約束激勵方向以外的自由度。結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率范圍0Hz-300Hz,載荷為單位力,頻率響應(yīng)計算范圍1Hz-200Hz,最終輸出響應(yīng)點加速度響應(yīng)。
利用HyperMesh前處理對該汽車排氣系統(tǒng)分析模型配重,使模型質(zhì)量與設(shè)計部門提供的一致,圖7為該汽車排氣系統(tǒng)理論吊掛位置與實際吊掛位置模型示意圖。

激勵點示意圖如圖8,其中理論模型與實際模型激勵點位置相同。

發(fā)動機(jī)連接點Z方向激勵時,理論和實際吊掛位置在主方向Z向的加速度響應(yīng)曲線如圖12:

通過上圖10、11、12對比可以看出,與實際的排氣系統(tǒng)吊掛位置相比,理論計算結(jié)果對排氣系統(tǒng)振動能量傳遞到車體影響基本相當(dāng),發(fā)動機(jī)Z方向激勵時,排氣吊掛點4在Z方向加速度響應(yīng)實際模型比理論模型略差。但理論模型吊掛點4所處位置為油箱安裝位置,不能布置排氣吊掛。實際模型中吊掛點4連接在副車架上,副車架與車身支架有橡膠懸置連接,更為合理。

5 結(jié)論

本文利用HyperMesh對某汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和振動傳遞函數(shù)分析,并利用ADDOFD選取汽車排氣系統(tǒng)吊耳懸掛點的布置位置,避免了開發(fā)后期排氣掛鉤受底盤和車身布置限制,無法進(jìn)行位置優(yōu)化的情況發(fā)生。結(jié)果表明:在整車開發(fā)前期引入CAE分析,可以有效預(yù)測整車NVH性能,對于保證開發(fā)質(zhì)量,縮短開發(fā)周期都有重要的意義。

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