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

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)進行了有限元建模,通過模態(tài)分析結果,利用平均驅動自由度位移法對排氣系統(tǒng)吊掛位置進行布置,并對排氣系統(tǒng)進行頻率響應分析,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分析結果相對比,考察兩次分析結果中振動響應的區(qū)別,為今后的研究提供經驗參考。

1 引言

隨著社會的發(fā)展和技術的進步,人們對汽車的要求越來越高。結構緊湊、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)動機排氣歧管以及車身地板相連。由于受到發(fā)動機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,可以有效地預測掛鉤位置對整車NVH的影響。

本文應用美國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,后運用平均驅動自由度位移法對排氣系統(tǒng)吊掛點進行布置,并對排氣系統(tǒng)進行頻率響應分析,將計算出來的理論吊掛點與實際吊掛點的頻率響應結果相對比,最終發(fā)現(xiàn)當發(fā)動機Z向激勵時,實際模型在Z向的加速度響應比理論模型略差,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:內部結構較為復雜,簡化為集中質量單元和RBE2單元,集中質量位于其幾何中心。
l 波紋管:波紋管具有撓性,有位移補償和減振的作用,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行有限元建模。由于消聲器結構復雜,故建模時對結構進行簡化,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進行連接。
l 橡膠吊耳:考慮到橡膠特性的復雜性,橡膠吊耳通常簡化成彈簧,在局部坐標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。

汽車汽油機主要轉速范圍是700~6000r/min,對于四缸四沖程發(fā)動機來說,其激勵范圍是23~200Hz。本文計算了0~200Hz范圍內排氣系統(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)。

本文用平均驅動自由度位移的方法對汽車排氣系統(tǒng)吊掛點進行優(yōu)化布置分析。利用自由模態(tài)振型結果,將各階模態(tài)振型加權后求和,將平均驅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)輸出點平均驅動自由度位移分布圖
分析結果顯示: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)有限元模型進行模態(tài)頻率響應分析,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)動機相連點約束激勵方向以外的自由度。結構模態(tài)頻率范圍0Hz-300Hz,載荷為單位力,頻率響應計算范圍1Hz-200Hz,最終輸出響應點加速度響應。
利用HyperMesh前處理對該汽車排氣系統(tǒng)分析模型配重,使模型質量與設計部門提供的一致,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,理論計算結果對排氣系統(tǒng)振動能量傳遞到車體影響基本相當,發(fā)動機Z方向激勵時,排氣吊掛點4在Z方向加速度響應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 結論

本文利用HyperMesh對某汽車排氣系統(tǒng)進行模態(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,無法進行位置優(yōu)化的情況發(fā)生。結果表明:在整車開發(fā)前期引入CAE分析,可以有效預測整車NVH性能,對于保證開發(fā)質量,縮短開發(fā)周期都有重要的意義。

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