HyperMesh汽車(chē)排氣系統(tǒng)模態(tài)及懸掛點(diǎn)布置分析

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

摘要:為減小汽車(chē)排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)位置對(duì)整車(chē)NVH性能的影響,本文采用HyperMesh軟件對(duì)某汽車(chē)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了有限元建模,通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果,利用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法對(duì)排氣系統(tǒng)吊掛位置進(jìn)行布置,并對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,將計(jì)算出來(lái)的理論吊掛位置與該車(chē)實(shí)際吊掛位置的頻率響應(yīng)分析結(jié)果相對(duì)比,考察兩次分析結(jié)果中振動(dòng)響應(yīng)的區(qū)別,為今后的研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,人們對(duì)汽車(chē)的要求越來(lái)越高。結(jié)構(gòu)緊湊、寬敞舒適、NVH性能良好的汽車(chē)受到普遍歡迎。汽車(chē)排氣系統(tǒng)作為汽車(chē)乘坐舒適性的主要影響因素之一,其振動(dòng)問(wèn)題得到了廣泛的重視。汽車(chē)排氣系統(tǒng)一般通過(guò)法蘭和吊耳分別與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管以及車(chē)身地板相連。由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)和排氣激勵(lì)的影響,排氣管振動(dòng)相對(duì)較大。排氣系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)通過(guò)掛鉤和吊耳引起車(chē)身地板的振動(dòng),從而嚴(yán)重影響整車(chē)舒適性,而且在整車(chē)開(kāi)發(fā)后期,由于底盤(pán)的布置往往會(huì)造成吊耳的懸掛點(diǎn)不一定處于最理想的位置。采用CAE方法,可以有效地預(yù)測(cè)掛鉤位置對(duì)整車(chē)NVH的影響。

本文應(yīng)用美國(guó)Altair公司的HyperWorks軟件,建立了某汽車(chē)排氣系統(tǒng)有限元模型,通過(guò)模態(tài)分析求得排氣系統(tǒng)固有振型,后運(yùn)用平均驅(qū)動(dòng)自由度位移法對(duì)排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)進(jìn)行布置,并對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,將計(jì)算出來(lái)的理論吊掛點(diǎn)與實(shí)際吊掛點(diǎn)的頻率響應(yīng)結(jié)果相對(duì)比,最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)Z向激勵(lì)時(shí),實(shí)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(diǎn)所處位置為油箱安裝位置,不能布置排氣吊掛,實(shí)際模型將其布置在靠近理論計(jì)算點(diǎn)的副車(chē)架上,而副車(chē)架與車(chē)身支架之間有橡膠懸置,故布置更為合理。

2 汽車(chē)排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1汽車(chē)排氣系統(tǒng)有限元建模
汽車(chē)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(jiǎn)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(jiǎn)化方式有多種,常見(jiàn)的有簡(jiǎn)化成彈簧單元和管單元,輸入各個(gè)方向的剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。波紋管簡(jiǎn)化成彈簧時(shí),波紋管的每個(gè)方向由一個(gè)彈簧黏性阻尼器組成,波紋管包含三個(gè)方向的剛度和阻尼;簡(jiǎn)化成薄壁管單元時(shí),根據(jù)波紋管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)定義其等效的彈性模量和密度。
l 消聲器:采用殼體單元對(duì)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,雙層殼體簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)化成彈簧,在局部坐標(biāo)系中包含三個(gè)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(chē)汽油機(jī)主要轉(zhuǎn)速范圍是700~6000r/min,對(duì)于四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),其激勵(lì)范圍是23~200Hz。本文計(jì)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(chē)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(dòng)自由度位移的方法對(duì)汽車(chē)排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)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(dòng)自由度位移較小的點(diǎn)作為排氣系統(tǒng)參考吊掛點(diǎn)。沿排氣系統(tǒng)有限元模型選取一系列節(jié)點(diǎn),共582個(gè)節(jié)點(diǎn)作為模態(tài)分析輸出點(diǎn),如圖3所示為整個(gè)排氣系統(tǒng)輸出點(diǎn)及局部輸出點(diǎn)示意圖。

圖4 排氣系統(tǒng)輸出點(diǎn)平均驅(qū)動(dòng)自由度位移分布圖
分析結(jié)果顯示:輸出點(diǎn)編號(hào)為130,330,500的節(jié)點(diǎn)處,即圖4中位置1、2、3處平均驅(qū)動(dòng)自由度位移相對(duì)較小,推薦這些位置作為排氣系統(tǒng)掛鉤的吊掛點(diǎn)。如圖5所示,對(duì)于輸出點(diǎn)330所在位置,比實(shí)際吊掛位置靠前,但該點(diǎn)處于汽車(chē)油箱所在位置,無(wú)法布置吊掛點(diǎn),故選擇在節(jié)點(diǎn)330附近副車(chē)架的位置布置吊掛點(diǎn),如圖6所示;

4 排氣系統(tǒng)振動(dòng)傳遞函數(shù)分析

本文對(duì)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(chē)身地板相連吊掛處施加約束DOF1-6,排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連點(diǎn)約束激勵(lì)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(jì)算范圍1Hz-200Hz,最終輸出響應(yīng)點(diǎn)加速度響應(yīng)。
利用HyperMesh前處理對(duì)該汽車(chē)排氣系統(tǒng)分析模型配重,使模型質(zhì)量與設(shè)計(jì)部門(mén)提供的一致,圖7為該汽車(chē)排氣系統(tǒng)理論吊掛位置與實(shí)際吊掛位置模型示意圖。

激勵(lì)點(diǎn)示意圖如圖8,其中理論模型與實(shí)際模型激勵(lì)點(diǎn)位置相同。

發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)Z方向激勵(lì)時(shí),理論和實(shí)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(guò)上圖10、11、12對(duì)比可以看出,與實(shí)際的排氣系統(tǒng)吊掛位置相比,理論計(jì)算結(jié)果對(duì)排氣系統(tǒng)振動(dòng)能量傳遞到車(chē)體影響基本相當(dāng),發(fā)動(dòng)機(jī)Z方向激勵(lì)時(shí),排氣吊掛點(diǎn)4在Z方向加速度響應(yīng)實(shí)際模型比理論模型略差。但理論模型吊掛點(diǎn)4所處位置為油箱安裝位置,不能布置排氣吊掛。實(shí)際模型中吊掛點(diǎn)4連接在副車(chē)架上,副車(chē)架與車(chē)身支架有橡膠懸置連接,更為合理。

5 結(jié)論

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

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