基于LMS與ANSYS Workbench的排氣系統懸置參數的優化設計

許 凱，曾發林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

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基于LMS與ANSYS Workbench的排氣系統懸置參數的優化設計

許 凱，曾發林

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

為了分析吊耳剛度對排氣管振動的影響，提出了一種基于LMS PolyMax及ANSYS Workbench的優化設計方法。首先建立了排氣管的三維實體模型以及有限元模型，并對其進行約束模態分析；其次,利用LMS軟件對排氣系統進行了試驗模態分析，通過計算模態與實驗模態進行對比，驗證模型的正確性；最后，利用修正后的有限元模型，以排氣系統的一階固有頻率為優化目標，運用ANSYS Design Explorer對其進行靈敏度分析以及優化設計。優化后發現排氣管的一階固有頻率從23.73 Hz提高到34.9 Hz，從而避開了怠速時發動機的激勵頻率，為排氣系統的減震、降噪提供了重要依據。

排氣管；PolyMax；ANSYS Workbench；優化設計

汽車排氣系統是汽車整體構成中不可缺少的部分。排氣管通過波紋管與發動機相連，通過吊掛件與車架或車身相連。由于汽車受到激勵源影響導致排氣系統的振動比較大，因此如何降低排氣尾管的振動與噪聲成為長期的研究方向[1]。本文基于LMS與ANSYS Workbench對排氣系統吊耳的剛度進行優化設計。

1 汽車排氣系統仿真模型建立

1.1 汽車排氣系統的組成

排氣系統是指與發動機相連的排氣多支管到排氣尾管各個部分結合的一個系統。排氣系統包括：排氣多支管、三元催化器、柔性管、主消聲器、副消聲器、中間連接管、尾管、掛鉤、吊耳等部件[1-2]。如圖1所示為雙排氣管排氣系統的結構圖。排氣系統的一端通過多支管與發動機相連，另一端通過掛鉤與車體相連[3]。

圖1 雙排氣管排氣系統的結構

1.2 排氣系統幾何模型的建立

本文研究的排氣系統為雙排氣管，由三元催化器、柔性連接、消聲器、連接管、吊鉤、法蘭和尾管組成。其基本結構如圖2所示。建模時的坐標定義為：以排氣管的安裝位置為基準，車的前進方向為x方向，駕駛員左手指向為y方向，垂直向上為z方向[4]。

圖2 雙排氣管排氣系統的CATIA模型

2 排氣管模態的分析

2.1 排氣管試驗模態的分析

本文根據實際雙排氣管排氣系統的實際模型進行約束模態實驗。實驗時，由于排氣管的長度比較大，質量剛度分布不均，所以布置了50個激勵點和12個三向傳感器即36個響應方向。為保證實驗的可靠與準確性，響應點和激勵點均設置在剛度和質量比較大的地方。將排氣管前端與發動機固聯，前中后3個位置6個掛鉤位置通過吊耳與車體相連。采用實驗硬件設備LMS進行信號采集，利用LMS Test.Lab中的PolyMax進行模態提取與分析。

排氣管的前6階振型如圖3所示。從模態振型中能夠輕易分辨出排氣管的振動情況，例如第1階固有頻率為22.45 Hz，排氣管的振動為繞z方向的轉動與沿x方向的耦合振動。可以通過相關手段改變一階固有頻率的值，從而避免與發動機激勵頻率相近，減小排氣管怠速共振的可能。

圖3 排氣管前6階模態振型

2.2 排氣管計算模態的分析

本文根據實際排氣系統模型建立CATIA三維模型，在將三維模型導入Ansys Workbench的DM模塊中進行仿真分析前處理，去掉一些碎面且合并一些分離的面，使得畫出的三維模型更接近實際模型[5]。模型處理好后導入Ansys Workbench中的DS模塊中進行有限元分析。在進行模態分析時需輸入物體的密度、彈性模量、泊松比等一些材料的結構參數[6]。本文所仿真的材料為鋼，其密度為7 900 kg/m3，彈性模量為2.01×1011Pa，泊松比為0.30。在劃分網格時，對不同部分進行了不同處理，例如前后消聲器和三元催化器的網格質量較高，單元大小為5 mm。

2.3 試驗模態與計算模態的對比

試驗模態和計算模態前10階固有頻率對比如表1所示。從表1可以看出：計算模態和試驗模態的前10階固有頻率誤差在10%以內，說明本文的模型建立正確，為后續的研究提供基礎。

表1 試驗模態與計算模態固有頻率對比

3 排氣系統的優化設計

3.1 發動機的激勵

排氣系統的激勵源主要是發動機在活塞運動過程中對汽缸做的功引起的。怠速時，發動機的2階往復慣性力為主要激勵力，它的頻率與發動機轉速和發動機汽缸數有關[7]。發動機怠速時的激勵頻率依據下式計算：

其中：n為發動機轉速；z為發動機的汽缸數。一般對于四缸發動機來講，怠速時的轉速一般在700～1 000 r/min之間，怠速時的激勵頻率一般在25～28 Hz之間[8]。

3.2 優化參數與目標的選取

由于發動機的激勵頻率在25～28 Hz范圍內，而排氣管的1階和2階固有頻率均在28 Hz以下，當發動機在怠速工況下，排氣管會產生嚴重的振動，該振動對乘客的舒適性以及排氣管的疲勞均會產生較大的影響[9]。因此，本文建立的目標函數如下：

其中x1,x2, …,xn為參數變量。將排氣系統的1階固有頻率作為優化目標。針對已成型的排氣管如果改動其掛鉤的位置，位置變化不能太大，可能對優化的結果和后期的加工不是很理想。本文以掛鉤吊耳的剛度為優化參數。

3.3 優化過程與結果

利用ANSYS workbench中Design Explorer模塊進行優化分析時一般需要以下步驟：定義設計變量和目標變量，查看響應分析、優化分析、求解并驗證[10]。

本文將前、中、后6個吊耳的z向剛度作為優化變量，其中：p1代表左前吊耳剛度；p2代表右前吊耳剛度；p3代表左中吊耳剛度；p4代表右中吊耳剛度；p5代表左后吊耳剛度；p6代表右后吊耳剛度。計算得到的約束模態1階固有頻率為23.74 Hz。將每個設計變量的取值設定為10～50 N/mm。通過ANSYS workbench中優化模塊的分析，其靈敏度圖如圖4、響應面圖如圖5所示，優化前后數據如表2所示。

從圖4和圖5中可以看出：前吊耳剛度和中吊耳剛度對排氣系統固有頻率影響較大，其靈敏度較高。因此，如果只改變較少參數，而獲得最大的改善效果，則改變左前吊耳剛度以及右前吊耳剛度效果最佳。從表2中可以看出：改變吊耳剛度后，排氣系統的固有頻率較優化之前有所提高，從而避開了發動機的怠速激勵頻率。

圖4 優化變量的靈敏度圖

圖5 優化變量及目標的響應面表2 數據改變前后對比

參數改變前改變后p1/(N·mm-1)20.945.2p2/(N·mm-1)20.932.3p3/(N·mm-1)23.448.2p4/(N·mm-1)23.419.8p5/(N·mm-1)17.649.6p6/(N·mm-1)17.614.81階固有頻率/Hz23.7334.9

4 結論

本文針對排氣管的約束模態時，改變吊耳處垂向剛度進行研究，通過靈敏度分析可以發現，前、中兩側剛度對排氣管一階頻率影響較大。通過對排氣管吊耳垂向剛度的優化，系統的一階固有頻率從23.73 Hz提高到34.9 Hz，從而避開了怠速時發動機的激勵頻率，排氣系統在怠速時將不會發生共振。本文的研究方法可以推廣到新車型的開發過程中，對排氣系統懸置參數的選擇以及制造具有參考意義，可以很大程度上縮短開發周期，減少設計成本。

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[3] 李兵,何正嘉.ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M].北京:清華大學出版社,2011.

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(責任編輯 陳 艷)

Optimization Design of Suspension Parameters of Exhaust System Based on LMS and ANSYS Workbench

XU Kai, ZENG Falin

(School of Automobile and Traffic Engineer, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to analyze the impact of lug stiffness for exhaust pipe vibration, the optimal design method was mentioned based on the LMS PolyMax and ANSYS workbench. Firstly, the three-dimensional solid model and the finite element model of the exhaust pipe were established, and the constraint modal analysis was done. Secondly, the experimental modal analysis of the exhaust system was made by using the LMS software. By comparing calculated and experimental modal, it verifies the correctness of the model. Finally, the first natural frequency of the exhaust system was made as the optimization objectives by using the corrected finite element model and ANSYS Design Explorer to analysis its sensitivity and to make a design optimization. Lastly, the optimized first natural frequency of the exhaust pipe was increased from 23.73 Hz to 34.9 Hz, thus avoiding the excitation frequency of the engine at idle. This study provides an important basis for damping and noise reduction of the exhaust system.

exhaust pipe; PolyMax; ANSYS Workbench; optimization design

2016-05-24

江蘇省高校自然科學研究項目(11KJA580001)

許凱(1990—)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事噪聲與振動控制研究，E-mail:740369505@qq.com。

許凱，曾發林.基于LMS與ANSYS Workbench的排氣系統懸置參數的優化設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):69-73.

format：XU Kai, ZENG Falin.Optimization Design of Suspension Parameters of Exhaust System Based on LMS and ANSYS Workbench[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):69-73.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.010

U467.3

A

1674-8425(2017)07-0069-05