排气系统悬挂位置设计及隔振优化研究

Altair2014技术大会论文集1  排气系统悬挂位置设计及隔振优化研究HangerLocationDesignandResearchofVibrationIsolationofExhaustSystem黄绪鹏，宋晓磊（澳汰尔工程软件（上海）有限公司上海200436）摘要：排气系统连接车身和发动机，发动机的激振力很容易通过排气系统传达到车身，引发车身的各种NVH问题。本文从NVH观点出发，借助OptiStruct求解器及HyperStudy强大的优化功能，对排气系统的悬挂点位置进行了布置，并对吊耳刚度进行了优化，使优化后的排气系统达到了良好的NVH性能。关键字：排气系统，悬挂点位置，HyperStudy,吊耳刚度Abstract:Powerofengineiseasytotransmittobodythroughexhaustsystembecauseoftherelationofthem,itwillbringonvariousproblemofNVH.BasedontheNVHviewpoint,thedynamicresponseofexhaustsystemofapassengercarisanalyzedbyusingOptiStructsolverandHyperStudyoptimizationanalysissoftware.Hangerlocationisobtainedandisolatorstiffnessisoptimized,whichensureagoodNVHcapabilityindesignprocess.Keywords:ExhaustSystem,HangerLocation,HyperStudy,IsolatorStiffness1引言汽车排气系统的设计直接影响了汽车的NVH性能。车辆行驶过程中,排气系统的振动激励主要来自两个方面:发动机的振动激励和由车身传递的路面激励。一方面发动机的振动由排气系统并通过橡胶吊耳传递到车身地板；另一方面路面激励通过车轮经由车身地板、悬挂等传递给排气系统。如何有效降低排气系统与车身之间的振动能量传递是排气系统动态设计时关注的重点。本文依据平均驱动自由度位移（ADDOFD）法对某乘用车排气系统悬挂点位置进行重新布置，在已确定悬挂点位置的基础上，以吊耳传递的动态载荷和吊耳静态变形量的加权值作为优化目标，对排气系统吊耳刚度进行了优化分析。最后对优化方案进行了验证。2排气系统有限元模型排气系统如图1所示，通常由排气管、三元催化器、消声器、法兰盘、挂钩以及波纹管等组成。对薄壁管型结构，采用壳单元进行模拟可以保证较高的计算精度和适中的计算规模；而对于厚度较厚的法兰盘，则采用实体单元模拟更为精确；消声器壳体是由双层筒体通过点焊连接加工而成，本文将其简化成单层等效厚度的壳单元；焊点和焊缝分别采用刚性连接和壳单元模拟；橡胶吊耳采用弹簧单元模拟；挂钩采用实体单元模拟。Altair2014技术大会论文集2  图1排气系统有限元模型3排气系统悬挂布置改进平均驱动自由度位移（ADDOFD）法是常用的排气系统悬挂位置优化方法。进行悬挂位置重新布置之前，假设挂钩可能分布在排气系统从热端到冷端的任何位置，因此在排气管轴向热端到冷端将挂钩潜在位置的节点依次编号1~95，利用Altair的OptiStruct求解器计算0~200Hz范围内的所有自由模态，并将模态结果中这些节点的Z向位移值输出到h3d格式的结果文件中。使用后处理工具HyperGraph提取位移值并进行计权累加处理，结果如图2所示，横坐标是挂钩潜在位置的节点编号，纵坐标是Z向位移值的计权累加。图2悬挂位置的重新布置从图2中可以看出，位置3，25，52，62及78在所选频率范围的激励下，ADDOFD相对较小，将在这些位置选择排气管挂钩的悬挂点。另外根据排气系统自身及其与整车地板和副车架的安装情况，综合考虑后选取在25,50和78号节点位置布置挂钩。1号和2号挂钩布置在消声器后端，3号挂钩布置在催化器前端位置，4号挂钩位置则布置在排气管末端向前480mm处。在悬挂点位置确定之后，由设计部门设计出合理的排气系统挂钩形式，需要对挂钩的刚度进行仿真计算，使其达到一定的目标值。4吊耳的刚度优化吊耳的静态变形和动态反力的计算方法：（1）吊耳静态计算：对排气系统有限元模型施加-9.8m/s的重力加速度，计算在排气系统自重下吊耳的位移。（2）吊耳传递给车身的动态载荷的计算：分析车型发动机怠速转速为70050r/min，发动机二阶怠速激励区间是23.3~26.7Hz。该发动机最高转速大概在6000r/min，对应的发动机点火频率为200Hz。由于该乘用车发动机呈横向布置，因此在发动机质心施加沿曲轴轴向即整车坐标系Y方向的周期激励扭矩，频率范围为20~200Hz。由于排气系统在XOY平面内向车身的力传递对乘坐舒适性影响并不显著,因此主要考察排气系统在垂直面即Z向的响应。通过后处理可以得到吊耳的承载力，这个力可近似看作是传递到车身的力。Altair2014技术大会论文集3  吊耳的静态变形和动态反力的计算所用模型的约束条件如图3所示。发动机用集中质量模拟，在发动机质心处添加质量和惯性矩，发动机悬置用四个弹簧单元模拟。约束发动机的四个悬置的车身侧和车身侧挂钩的顶端。图3边界条件4.1设计变量根据设计经验将橡胶吊耳两个水平方向的刚度取为定值，吊耳垂直方向的刚度对吊耳的位移和动态载荷有较大的影响，因此确定与排气系统相连的四个吊耳在垂直方向的刚度作为设计变量。4.2目标函数取全负荷升速工况下动态载荷和吊耳的静变形最小量作为优化目标。Min fx=1-α∑+α∑(1)其中α表示吊耳位移的加权因子。F表示第号吊耳沿Z方向的动态力峰值，F表示使归一化的设定值。S表示第号吊耳沿Z方向的静变形量，S表示使归一化的设定值。吊耳刚度大，那么动态响应力就大，相应隔振性差，吊耳变形小，则耐久性就好；反之，动态响应力小，隔振性会变好，吊耳位移变形大，耐久性相应的变差。在排气系统设计时，吊耳的耐疲劳性能必须首先满足，因此α取值较大[1]。4.3约束条件为兼顾排气系统的振动对车内振动噪声的影响和吊耳的耐久性，确定约束条件如下：通常情况下，一些车辆橡胶吊耳的刚度值为50N/mm，但是随着乘客对车辆内部振动及噪声的要求日益提高，以及隔振相关技术的发展，某些高档车的刚度值要求变为30N/mm。本文在优化过程中，将四个吊耳刚度（N/mm）限制在20~40N/mm范围内。对于一般轿车，挂钩传递到车身的力要求小于10N；当这个力大于10N时，在车内可能会感受到来自排气系统的振动和挂钩传递过来的结构噪声。出于耐久性考虑，吊耳变形量应控制在较小范围内。0F 10N，0S3mm。4.4优化结果Altair2014技术大会论文集4  借助HyperStudy强大的优化功能，结合厂家提供的吊耳类型和刚度值，选取吊耳刚度值最佳方案，该方案下吊耳Z向动态响应力曲线如图4所示。吊耳Z向峰值动载荷和静态变形量均在可接受范围内。图4吊耳Z向动态响应力曲线5优化方案的验证5.1模态分析在发动机激励频率中，以怠速激励频率影响最为显著，是否可以避开怠速共振频率区间是检验排气系统设计是否合理的重要指标之一。在对悬挂位置及吊耳刚度进行优化之后，进行约束模态分析，约束条件如图3所示。从表1中的对比可以看出，各阶频率都能较好的避开发动机怠速频率段，并且模态分布合理。表2排气系统约束模态频率阶数频率阶数频率18.1984.7212.21091.8315.311107.3422.312125.4531.413143.7640.714152.27598.915171.1868.016195.35.2静态载荷分配计算通过排气系统静平衡分析来预测悬挂点的载荷分配及应力分布情况。载荷为1g垂向加速度，约束条件如图3所示。输出单元应力和4个吊耳的受力。计算得到1号到4号吊耳的受力分别为：41.3N，42.7N，34.5N，38.2N，悬挂点载荷分布较为合理。应力分布情况Altair2014技术大会论文集5  如图5所示，从应力云图可以看出，整体应力水平较低，其中最大应力发生在消声器前端的排气管处，应力值为21.2MPa，符合设计要求。图5静态分析应力云图5.3吊耳隔振效果的验证衡量吊耳的隔振率用振动衰减率，它按照下式定义T20lg/（2） T为传递率，A为主动加速度，A为被动加速度。排气系统橡胶吊耳隔振系统是由两个挂钩和一个橡胶吊耳组成，排气系统一侧称为主动边，车身侧称为被动边。分析时，激励载荷与约束条件与吊耳的刚度优化分析一致。输出吊耳上下两点Z方向加速度，通常当传递率大于20dB时，这个吊耳被认为是满足使用要求的。传递率曲线如图6所示，四个吊耳的隔振效果良好[2]。图6传递率曲线6结论本文借助OptiStruct求解器，使用ADDOFD法，确定了悬挂点的新布置形式。悬挂位置重新布置后，借助HyperStudy优化功能对排气系统吊耳的刚度进行了优化。最后分别进行了模态分析、静平衡分析和频率响应分析来验证新方案的合理性。本文的研究方法对其它车Altair2014技术大会论文集6  型开发初期排气系统悬挂位置的改进设计及隔振控制有很好的借鉴作用，对企业缩短开发周期，节约研发成本有重要意义。7参考文献[1]上官文斌,黄志，贺良勇，段小成.汽车排气系统吊耳动刚度优化方法的研究.振动与冲击，2009,29（1）：100-102.[2]姚俊贤，刘显臣.排气系统NVH性能设计.第五届中国CAE工程分析技术年会论文集,2009.[3]AltairEngineeringInc.HyperWorksUser'sGuide，2012.