HyperWorks在汽車排氣系統開發中的應用

蘇辰

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

某換代車需要修改排氣系統。HyperWorks仿真軟件平臺中的HyperMesh可以利用原排氣系統的模型，將其更新成換代車排氣系統的模型，實現先于設計進行NVH仿真分析，這樣可以大幅提高工作效率，縮短開發周期。HyperMesh有豐富的網格處理功能，可以將網格進行拉伸、平移及刪除等操作，特別是Morph功能，可以完成更高階的網格變形，例如修改排氣系統管路的半徑。這些實用的功能可以幫助工程師將網格變形成設想的形式。因此，利用這些功能可以完成先于設計預測排氣系統的NVH性能。文章介紹了某車型應用此方法預測排氣系統NVH性能的過程。

1 建立有限元模型

1.1 動力總成和懸置的建模

動力總成和懸置對排氣系統的NVH性能影響很大，因此分析模型必須包括動力總成和懸置。由于分析的對象是排氣系統，因此并不需要建立詳細的動力總成和懸置，將動力總成簡化成質心，懸置簡化成彈性單元即可。

這部分建模需要的數據包括：1）動力總成質量；2）動力總成質心位置；3）動力總成慣性矩陣；4）各懸置彈性中心點位置；5）每個懸置彈性中心點各方向剛度。

得到這些數據后，建立CONM2單元模擬動力總成，建立長度很短的CBUSH彈性單元模擬懸置。再用RBE2剛性單元，將CONM2單元與每個CBUSH單元的一個節點相連，另一個節點全約束。某車型動力總成和懸置模型圖，如圖1所示。

圖1 某車型動力總成和懸置模型圖

1.2 更新排氣系統模型

圖2示出排氣系統管路變更示意圖。因為某車型中央通道的改動，需要將彎曲的管路改成直線。具體變更過程分2步進行：1）將圖2中紅線之間的網格刪除；2）使用2D-＞ruled功能，即可創建新的單元，使彎曲的管路變成直線[1]。第2步的過程，如圖3所示。

圖2 排氣系統管路變更示意圖

圖3 排氣系統改直線管路流程顯示界面

為了改善排氣背壓，需要更改排氣系統管路的直徑，使用常規的網格修改很難完成這樣的改動，但是HyperMesh的Morph功能可以輕松地完成，具體的操作方法如下。

1）進入 Tool-＞HyperMorph-＞domains，操作界面，如圖4所示。選擇“create”，下拉菜單切換成“2D domains”，將“all elements”切換成“elems”，選中管路的單元，勾選“partition 2D domains”選項，最后點擊“create”，2Ddomains創建完成。點擊“return”。

圖4 更改排氣管徑2D domains操作界面

2）進入 Tool-＞HyperMorph-＞Morph，操作界面，如圖5所示。選擇“alter dimensions”，下拉菜單切換成“radius”，“radius=”輸入新管路的半徑，“center calculation”選擇“by edges”，“domains”選取圖 5 箭頭標示的domain。點擊“morph”，管路的半徑即變成輸入的值。

圖5 更改排氣管徑morph操作界面及選取示意

1.3 裝配

完成以上工作后，將兩部分裝配在一起，裝配完成細節，如圖6所示。動力總成與法蘭的螺栓孔使用BRE2和CBUSH單元連接，CBUSH單元各方向的剛度可以從試驗獲得。動力總成與球鉸使用RBE2單元和一個長度很短的RBE2單元連接，后者放開所有的轉動自由度，模擬球鉸可以圍繞球心一定程度地轉動。

圖6 動力總成與法蘭的裝配示意圖

2 NVH仿真分析

2.1 模態分析

為了使整車的NVH性能達到較高的水平，需要盡量滿足模態分離的原則，即各子系統的模態頻率盡可能地相互避開。依據此原則排氣系統各階模態的頻率需盡可能地避開怠速頻率范圍。

使用HyperWorks的RADIOSS求解器可以較好地進行模態分析。在HyperMesh中設置EIGRL和Load-Steps后，進入 Analysis-＞Radioss，操作界面，如圖 7 所示。“export options”選擇“all”，“run options”選擇“analysis”，“memory options”選擇“memory default”。點擊“Radioss”開始計算。

圖7 求解模態的RADIOSS操作界面

計算完成后，點擊圖7中的“HyperView”，即可使用HyperWorks軟件平臺的HyperView后處理軟件查看各階模態頻率和位移云圖，如圖8所示。根據模態分離的原則，在怠速頻率范圍內盡量避免出現排氣系統的模態。根據得到的結果可以很輕松地判斷是否滿足此原則，為設計和優化提供指導[2]121。

圖8 各階模態頻率和位移云圖顯示界面

2.2 頻率響應分析

為了避免排氣系統出現較大幅度地振動，需要對其進行頻率響應分析。將更新后的排氣系統與原排氣系統做對比，預測更新后的排氣系統的振動特性。

動力總成的局部坐標系，如圖9所示。排氣系統的激勵主要源自動力總成的活塞和輸出軸。活塞沿Z方向做直線運動，輸出軸以X軸為軸心轉動，所以在質心添加類型為DAREA的邊界條件，設置dof3=1，dof4=1，用此方法模擬動力總成的激勵[2]138，如圖10所示。

圖9 某車型動力總成局部坐標系

圖10 施加激勵的操作界面

頻率響應分析包括3個輸出點：副消聲器、主消聲器及尾管末端，如圖11所示。使用RADIOSS求解器進行頻率響應分析，再使用HyperWorks另一個后處理軟件HyperGraph可以很便捷地讀出頻率響應曲線，再和原排氣系統進行對比，其頻率相應曲線，如圖12所示。從圖12可以看出，更新后的排氣系統的頻率響應曲線優于原排氣系統。

圖11 頻率響應分析輸出點位置示意圖

圖12 各輸出點頻率響應曲線對比

3 結論

文章簡述了HyperWorks在排氣系統開發過程中的應用，重點是HyperWorks前處理軟件HyperMesh的眾多實用功能可以將網格變形成預想的形式，能夠先于設計進行NVH仿真分析。

RADIOSS求解器和HyperView與HyperGraph后處理軟件同屬HyperWorks平臺，可以方便地和前處理軟件HyperMesh進行交互，數據傳遞。HyperView可以顯示各階模態的頻率，判斷怠速頻率范圍內是否出現排氣系統的模態。HyperGraph可以讀出頻率響應曲線并進行對比，并且能預測更新后的排氣系統的振動特性。