基于ANSYS的汽車排氣系統有限元模型簡化模擬方法

鄭克峰，楊忠瑞，杜承宗，羅世強

(西華大學機械工程學院，四川成都 610039)

0 引言

有限元仿真分析在當今的產品研發過程中起著重要作用，作為一種檢驗產品使用特性的重要技術手段，分析過程耗時少、解算結果精確度高是評價有限元分析法的一項標準。汽車排氣系統一般包括催化轉換器、波紋管、連接管、副消聲器、主消聲器、尾管、法蘭、吊鉤裝置等。通常，汽車排氣系統與發動機和汽車底盤通過法蘭和吊耳相連，汽車在行駛時，發動機的振動以及排氣工作本身的激勵都會引起排氣系統的振動。針對汽車排氣系統的模態分析通常用來獲得排氣系統的各階頻率及振形，以此可以對相關的振動故障進行診斷，同時汽車排氣系統的動力優化也可基于排氣系統的模態分析進行。如田靜[1]通過模態分析方法對掛鉤點位置進行了優化，殷俊等人[2]則通過將排氣系統模態分析結果與實驗結果對比的方法，驗證了排氣系統模態分析的可靠性。

盡管三維實體模型在描述物體幾何特性時非常精確[3]，卻在直接用作有限元模型分析時計算量大、分析用時較長、對計算機性能的要求高，不能滿足當今設計研發快速的要求。因此，需要對實體模型采取保留特征的簡化有限元模型的方法，減少解算時間，提升仿真系統的效率。汽車排氣系統零件較多，若采取實體模型進行有限元分析，網格數量較多，計算效率低。其中波紋管直接建模的方式相對復雜，且在建立有限元模型的過程中，劃分的網格數量在保證結果精確的前提下會非常多，這無疑為計算機進行CAE分析增加了解算負荷。在三維仿真時，國內一些研究人員也直接采取殼體建模的方法簡化有限元模型，如方彥奎[4]就通過HyperMesh直接以殼體單元建立有限元模型，并以Shell單元進行仿真分析，得到了排氣系統的自由模態。同時他考慮到計算機性能及實現難度的關系，以Cbush連接兩邊管中心節點，并用Rbe2單元連接中心節點與其他周圍節點來簡化了波紋管的有限元模型。李松波等[5]則將轎車排氣系統的模型以一維數值模型代替，最后通過實驗對比，證明了一維數值排氣系統模型在模態分析時也有參考意義。

目前針對ANSYS軟件的簡化波紋管模型的方法較少，其中毛紅威等[6]提出用一個Combin14彈簧單元代替波紋管的軸向彈性運動，但該方法沒考慮到波紋管本身的形變方向是三向的，且因為兩端連接管都是實體模型，計算效率相對較慢。本文作者在已有實驗數據的基礎上，根據后文所示的實驗結果，采用簡化波紋管模型的方法來模擬波紋管在自由振動下的工作情況，從汽車排氣系統的自由模態分析出發，提出一種針對排氣系統有限元模型的中面提取簡化方法，同時將波紋管的模型在ANSYS有限元分析應用時進行了簡化，并對兩種不同的波紋管簡化方案的模態分析結果進行了對比。

1 排氣系統有限元模型建立

1.1 管道實體模型簡化

文中的研究對象為某汽車的排氣系統，根據其真實測量尺寸，用CAD軟件進行三維建模，并將得到的三維實體模型導入至ANSYS Workbench當中，得到的初始模型如圖1所示。

圖1 Workbench中的三維實體模型

進行三維仿真時，各法蘭間螺栓連接、模型中的傳感器、較小的圓角等對解算結果的影響較小，為了加快計算效率，去除這些部分，得到簡化后的三維模型。然而采取實體模型的形式劃分網格的排氣系統在進行有限元計算時計算量偏大，因此根據以往研究經驗，由于排氣系統中大部分零件都是典型的薄壁實體，薄壁的厚度遠不及模型本身的長度和寬度，則可以通過將三維薄壁實體模型轉換為二維面體的模型實現降維簡化[7]。文中通過抽取中面的形式，從原薄壁管得到面片模型，然后對抽取后的中面兩面斷開部分進行延伸操作，則將原有實體模型簡化后如圖2所示。

圖2 排氣系統簡化模型

以簡化后的模型進行分析時，又要根據排氣系統的不同部分，分步驟劃分網格，并在排氣系統波紋管兩端連接管的圓筒中心各建立一個節點。最后得到的節點數共計161 107個，單元總數為92 557。然后對螺栓固定連接部分施加固定約束，并在兩處加入質量點，模擬兩處零件重力。圖3所示為該排氣系統簡化模型后的有限元模型。

圖3 排氣系統有限元模型

盡管ANSYS Workbench前處理非常方便，但在建立波紋管簡化模型時，Workbench有其局限性，而且也存在解算速度慢的問題。所以此時將該模型直接生成Mechanical APDL的輸入文件，將排氣系統有限元模型導入Mechanical APDL環境下進行波紋管模型的簡化。

1.2 波紋管簡化

在求解排氣系統的固有頻率時，針對波紋管具有多個變形方向的特殊情況，結合如圖4所示的該波紋管的剛度實驗數據，提出一種簡化波紋管有限元模型的方法。

圖4 波紋管軸向與橫向形變實驗數據

方案一簡化步驟如下：建立以兩邊連接管中心點軸向、其中一管徑向的笛卡爾坐標系，并將該坐標系設置為世界坐標系。以3個Combin14線性彈簧單元代替波紋管在求解固有頻率時的3個方向的剛度，根據實驗結果，將剛度均設置為20 N/mm，并使3個彈簧單元連接兩端管的中心位置。進一步簡化模型需要將彈簧兩端與兩邊排氣管進行關聯，此時則采用Cerig剛性耦合方法，將彈簧單元兩端節點與排氣管有限元模型兩端的節點進行耦合關聯，簡化后的波紋管有限元模型如圖5所示。

圖5 簡化的波紋管有限元模型

另一種簡化方案則為：僅通過一個彈簧單元在兩排氣管間連接，彈簧的形變方向設置為沿管道軸向，其他步驟與方案一相同。

分別對兩種不同的簡化方案分析，并記錄兩種簡化方案的耗時。

2 模態分析

將兩種不同的簡化方案用APDL模塊進行自由模態分析，記錄分析結果和用時，并進行對比，如表1所示。

表1 模態分析結果

3 模態分析結果對比

盡管采用一個沿波紋管軸向變化的Combin14單元的簡化方案分析速度更快，但因為沒有考慮到波紋管的其他形變方向，所以分析的結果與方案一的差別較大。因方案一在理論上是將波紋管的軸向剛度與橫向剛度考慮在內的，其結果較方案二更具參考價值，所以方案一在保證分析結果準確性的同時，也將分析過程的耗時大大減少。相較于其他用高密度網格實體模型代替的辦法，方案一和方案二都縮短了排氣系統模態分析的時間，且方案一更能夠保證分析結果的準確性。

4 結論

汽車排氣系統模態分析對當下的汽車生產制造中汽車的安全性和舒適性有著重大意義，本文作者基于ANSYS軟件中的Workbench模塊以及Mechanical APDL模塊，對某汽車排氣系統的有限元模型進行了簡化，其中針對波紋管難建模、解算時間長的問題，對波紋管有限元模型進行了進一步簡化，提升了該排氣系統模態分析的解算效率。該簡化方案能夠作為相關CAE研究的參考。