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汽车排气系统响应特性及有限元分析

发布于:2018-04-02 21:38
有限元分析

       随着社会的发展和技术的进步,人们对现代汽车的要求越来越高。结构紧凑、宽敞舒适、NVH性能良好的汽车受到普遍欢迎。汽车排气系统作为汽车乘坐舒适性的主要影响因素之一,其振动问题在业界得到了广泛的重视。车辆运行时,排气系统承受来自发动机的周期性动载荷,并引起排气系统振动从而影响系统零件以及吊挂零件的可靠性;同时周期振动通过排气系统橡胶吊挂软垫传递到车体,影响车身结构的噪声振动平顺性等指标,因此有必要对排气系统振动特性进行有限元分析和优化。
汽车排气系统模型一般由以下几部分组成:减振波纹管、主消声器、后消声器、管道、连接法兰、挂钩及橡胶吊耳组成。其前端法兰盘通过螺栓与发动机刚性相连,中间法兰盘通过螺栓将管道连接,挂钩处通过橡胶吊耳悬挂在车厢地板面上。本研究利用某汽车排气系统三维CAD模型,在充分考虑各个零件质量分布情况的基础上,采用HYPERMESHApp建立有限元模型,并进行相应的简化处理。
       动力总成布置形式为横置,动力总成轮廓采用plot单元模拟,选取动力总成质心为主节点,与plot单元刚性连接,赋予动力总成质心集中质量和转动惯量,如图所示。分析中一般采用零长度的弹簧单元(cbush)代替波纹管,在局部坐标系中赋予刚度值。由于前后消声器内部结构的复杂性,不能完全采用网格划分的方法建立它们的有限元模型,所以对前后消声器的外壳进行网格划分,再进行配重处理,如图所示。与波纹管同方法,采用无阻尼的弹簧单元模拟并给定初始设计的刚度值,如图所示。图为带动力总成的排气系统有限元模型,零件材料参数见表所列。
       动力总成作为车辆的主要振动激励源之一,其激励可通过波纹管传递给排气系统,再由吊耳橡胶软垫组件传递给车身引起车内振动。若吊耳橡胶软垫的动刚度匹配不佳,会导致较大的车身振动,动刚度过高不利于吊耳隔振,同时动刚度也不能太低,过低的动刚度虽可以提高隔振率,但会导致吊耳橡胶软垫产生较大的静变形,对吊耳橡胶件的耐疲劳性能具有不利影响。在排气系统设计中,所需输入的转动惯量和刚度参数见表,对汽车的排气系统进行约束模态分析,求解排气系统的特征频率和特征向量,为整车平顺性匹配提供依据。采用MSC.NASTRAN中模态分析模块SOLID对图中的有限元模型进行了模态分析。表为该排气系统的各阶次频率值。通过排气系统的约束模态频率与路面激励、发动机激励的对比,可以判断结构是否存在与激励源频率的耦合,从而可以分析排气系统振动对整车NVH性能产生的影响,掌握排气系统结构设计的优化方向。
       本研究主要针对发动机排气激励进行分析,发动机在怠速范围内的频率为2426Hz,从表可以看各阶次的频率均不在怠速频率范围内,避免了共振现象。发动机在工作状态时,排气系统会产生振动,吊耳会将动态载荷传递给车身,希翼这种动载荷越小越好,那么车身的振动也越小。吊耳传递给车身动态载荷计算:所研究车型的发动机怠速频率为2426Hz,将起始频率定为20Hz,给发动机一个绕曲轴方向大小为100N.m激励扭矩,分析20~100Hz频率范围内吊耳承受的动态载荷。将处理好的模型提交MSC.NASTRAN计算,进行后处理,各吊耳处Z向动载荷如图所不。从图可以看出,在20100Hz频率范围内,吊耳1、吊耳2、吊耳3、吊耳4、吊耳5的动载荷峰值在频率33Hz,大小不超过2N,发动机怠速时,各吊耳处动载荷更小。根据经验,发动机工作时,排气系统吊耳的动态载荷最好不超过10N,说明吊耳的隔振效果是非常好的,达到了设计的要求。


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