某車型排氣系統振動特性分析及優化設計

王宇翔，陸靜，王林龍，王青

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某車型排氣系統振動特性分析及優化設計

王宇翔，陸靜*，王林龍，王青

（廣西科技大學汽車與交通學院，廣西汽車零部件與車輛技術重點實驗室，廣西 柳州 545006）

某車型在NVH性能測試中的隔振性能較差，經測試分析后確定其原因為排氣系統吊鉤的傳遞力過大。為了改善該車型的隔振性能，文章建立了排氣系統的有限元模型并分析其振動振動特性。然后，選取5個橡膠吊耳的剛度作為設計優化變量，以5個吊鉤的傳遞力為優化目標，通過ISIGHT平臺集成多種有限元軟件自動建立了橡膠吊耳Z向剛度與傳遞力峰值的響應面近似優化模型，采用LSGRG算法求出近似模型的最優解，達到了對吊耳剛度優化的目的。

排氣系統；吊耳；剛度；ISIGHT

前言

排氣系統懸置的吊鉤處在振動傳遞的重要位置，一端與排氣主體相連，另一端與車身地板相連，發動機傳遞到排氣系統的振動會通過排氣吊鉤傳遞至車身，引起車體的振動和車內噪聲，從而影響駕駛人員和乘客的舒適性。因此合理設計排氣懸置系統，不僅能改善整車的NVH性能，還能提高自身的壽命[1]。國內外很多學者對排氣系統的振動特性和聲學做了大量的分析和研究工作。戰申[2]用ABAQUS進行自由模態分析，初步分析吊鉤位置是否合理，然后對排氣系統關鍵參數進行靈敏度分析，通過調整懸掛及波紋管參數提高了系統固有頻率，避免了與發動機頻率的耦合。黃志等[3]對排氣系統吊耳設計原則進行了歸納和研究，從各種類型排氣系統吊耳結構特點出發，系統的闡述了吊耳典型結構和常規設計原則。田育耕等[4]采用Hypermesh和Nastran軟件對某汽車排氣系統的振動進行有限元建模和模態分析，并利用平均驅動自由度位移法對排氣系統吊耳懸掛點位置進行優化。 Goktan A G[5]將排氣系統與整車模型結合，從不同的方面分析了其振動特性，比較真實的反應振動情況。

某車型實驗測試中出現的車身振動過大的現象，通過實驗測試初步確定是由于排氣系統傳遞到車身的力過大。為了解決這一問題，本文基于CATIA軟件建立了該車型排氣系統CAD模型，利用Hypermesh軟件建立了相應的有限元模型，通過Nastran求解器對其進行振動特性分析，計算得出在激勵范圍內吊鉤傳遞力曲線圖及傳遞力值。數值分析表明，排氣吊鉤與車身焊接點的傳遞力超過了工程經驗值，需要進行結構優化。為了不改變排氣系統的主體結構，選擇橡膠吊耳的剛度作為優化設計變量，吊耳的傳遞力為優化目標，結合中心組合實驗法[6]和ISIGHT平臺進行優化，確定了5個吊耳的最優剛度組合。優化結果的仿真驗證表明，優化后的傳遞力基本達到了工程經驗值，本文的研究達到了對各優化目標優化的目的。

1 排氣系統動載荷頻響分析

發動機輸出動載荷激勵時經由排氣系統傳遞至車體上的響應力，即排氣吊鉤與車身焊接點的傳遞力，是排氣系統在設計過程中需要考核的指標之一。工程經驗表明，傳遞力應為10N左右，若超出太多，則車內乘員可能會明顯感覺到來自排氣系統的振動和噪聲，須對系統進行修改[7]。

某車型在NVH測試中發現，車身的振動明顯，經實驗測試分析，初步確定是由于排氣系統傳遞至車體上的響應力過大所導致。為了驗證試驗結果，建立該車型排氣系統的有限元模型，并進行振動特性分析。該車型排氣系統是由主消聲器、副消聲器、三元催化器、波紋管、排氣歧管法蘭等部件構成，利用CATIA建立幾何模型并導入Hypermesh中。由于排氣系統部件較多、形狀各異、幾何特征復雜因而采用四邊形（quad）和三角形（tria）混合單元來劃分網格，且在幾何清理簡化過程中，遵循不影響分析結果的原則[8]，排氣系統-動力總成總體有限元模型如圖1所示。模擬發動機沿曲軸（整車坐標軸Y軸）方向且在20Hz-200Hz頻率范圍內變化的扭矩，大小為100N·m。本文中的排氣動力總成模型是由5個吊鉤和4個動力懸置分別與車身連接而成，對發動機懸置和車身側及被動吊耳與車身焊接點的邊界條件都設置為全約束，每個吊耳三個方向的剛度為15N/m。

圖1 排氣系統總體有限元模型

完成上述設置后，將選取好的模型提交給MSC.Nastran進行計算，通過HyperGraph讀取計算結果，在激勵頻率范圍內所選取的吊鉤傳遞力曲線如圖2所示。

圖2 吊鉤傳遞力曲線

由圖2所選取的節點傳遞力曲線可知：第1個吊鉤和第5個吊鉤的傳遞力較其他吊鉤要偏大。提取各吊鉤的傳遞力峰值，如表1。

表1 各方案吊鉤傳遞力峰值

由表1可知，吊鉤的傳遞力基本大于標準值10N，需要對系統進行改進。為了保持整體結構不變，確定對吊耳的剛度進行優化。

通過LMS Test.Lab中的Impact Testing模塊，采用采用整車坐標系，單輸入多輸出的方法，對實際裝車狀態下排氣系統進行模態測試，測試排氣系統傳感器的布置如圖3所示，根據傳感器布置建立相應模型。為保證測試結果的可靠性，拾取三個不同點的x、y、z分別進行錘擊輸入，測試過程中，對每個輸入點的每個方向錘擊5次，要保證每次錘擊的一致性盡量接近1，以保證實驗的準確性。將采集后的數據放入PloyMAX進行后處理，得到其參數結果表和振型圖。試驗模態振型與仿真約束模態振型分析，取一階y,z方向彎曲模態，頻率對比結果如表2。

圖3 測試排氣系統及傳感器的布置

表2 仿真和實驗結果對比

由表2得出的數據比較可知，MAC接近1誤差在合理范圍內，表明該有限元模型具有一定的準確性，能較準確的反映排氣系統的運動特性。

2 排氣系統吊耳剛度優化

2.1 響應面模型建立

響應面法在局部范圍內可以通過較少的試驗樣本點比較精確的逼近激勵與響應的函數關系，可以快速準確的擬合不同復雜程度的響應關系。多項式響應面模型[9]是應用范圍比較廣的一類近似模型，它是利用不同階次的多項式函數擬合設計空間，從而表征工程實際中的計算機仿真模型。本文研究模型結構復雜，計算精度要求的特點，所以選取多項式響應面模型來構造本文的近似模型。多項式響應面法表示設計變量X與響應Y的近似數學關系表達式為：

式中，x為設計變量，為待定系數，M為設計變量個數。

2.2 中心組合實驗設計

本文設計變量為5個吊耳的Z向剛度，初始值都為15N/m，建立樣本空間時設計變量的上下限分別設定為5~40N/m，為了確保建立近似模型的精度，擬采集100組樣本點。

圖4 中心組合樣本點圖

圖5 吊耳剛度對各優化目標的響應面

根據中心組合試驗設計生成的100組數組的樣本空間，按照樣本空間的設計變量值，選取1到5號吊耳的Z方向的剛度作為本次近似模型優化的設計變量，5個吊鉤的傳遞力峰值為優化目標，即可建立近似的響應面模型。由于采用人工計算的工作量很大，本文采用ISIGHT平臺集成Nastran和Optistruct求解器進行自動的分析和優化。分析軟件集成后，流程回路上會形成數據流，在數據流程中自動添加實驗設計組件、優化算法，分別進行100次自動仿真，得到每次仿真的響應結果，最終，運用最小二乘法對試驗設計樣本點和響應進行擬合，構建出合理的二階響應面模型，5個吊耳的Z向剛度對1,2,3,4,5號吊鉤傳遞力峰值的響應面模型如圖5所示。

2.3 吊耳剛度優化

基于所建立的響應面近似模型，根據LSGRG算法將目標函數和約束作近似為設計變量的二次多項式[9]，其中，5個吊耳Z向剛度為設計變量，5個吊鉤傳遞力峰值為優化目標。整個優化過程經過170次迭代后收斂并且獲得最優解，其中，吊耳5的迭代過程如圖6所示。排氣系統模型在優化前后設計變量與優化目標的初始值及優化后值如表3所示。

圖6 吊鉤5傳遞力峰值優化迭代過程

表3 變量與優化目標的初始值及優化值

由表3可知：1,3,4,5號吊鉤傳遞力峰值分別由原來的31.601N、16.097N、17.4323N、26.2534N降低為10.007N、12.759N、10.003N、10N,降低幅度分別為68.3%、20.7%、42.6%、61.9%，吊鉤2傳遞力由小幅增大，5個吊鉤傳遞力都保持在企業標準值10N左右。縱觀優化結果，達到了預期的優化效果，實現了優化目的。

3 結論

采用有限元軟件對某車型排氣系統的數值模型進行吊鉤傳遞力分析，發現吊鉤傳遞力過大。因此，對吊鉤的傳遞力進行優化。以5個吊鉤的傳遞力為優化目標，5個橡膠吊耳的剛度作為設計優化變量，在ISIGHT自動化平臺上集成有限元軟件Optistruct和Nastran，利用中心組合實驗法采集的100組樣本點，結合自動仿真優化平臺得到樣本空間，構建了響應面近似模型。采用LSGRG算法，以傳遞力最小為優化目標，對吊耳剛度進行了結構優化。結果表明，該方法達到了優化目的，優化后能有效的改善整車的NVH性能，對提升舒適性有重要的意義。

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[2] 戰申,宋曉琳,楊迪新,等.汽車排氣系統振動分析與優化[J].機械設計,2016(1):16-20.

[3] 黃志,范讓林,段小成等.汽車排氣系統吊耳及設計原則[J].噪聲與振動控制, 2009（4）:95-97.

[4] 田育耕,劉江華,王巖松等.汽車排氣系統振動模態分析及懸掛點優化[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版）, 2009,28(6):995- 998.

[5] Goktan A G; Yetkin A .A mathematical model for exhaust system vibrations caused by road surface inputs[J]. SAE Paper, 2001-01- 1006.

[6] 潘鋒.組合近似模型方法研究及其在轎車車身輕量化設計的應用[D].上海交通大學,2011.

[7] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動:理論與應用[M].北京理工大學出版社,2006.

[8] 謝義杰,黃昶春,范健文.汽車排氣系統振動特性分析研究[J].廣西科技大學學報,2018(2).

[9] 王正平,龍騰,劉莉.多學科設計優化中的多項式響應面近似方法研究[C].全國信息獲取與處理學術會議. 2010.

[10] 賴宇陽.ISIGHT參數優化理論與實例詳解[M].北京航空航天大學出版社,2012.

Vibration characteristics analysis and optimization design on exhaust system of a vehicle model

Wang Yuxiang, Lu Jing*, Wang Linlong, Wang Qing

( Guangxi University Of Science and Technology, Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology, Guangxi Liuzhou 545006 )

The vibration isolation performance of a vehicle was poor in the NVH performance test. After test and analysis, it was determined that the reason was that the transmission forces of the exhaust system hook were too large.In order to improve the vibration isolation performance of this model, its finite element model was established, and vibration charac -teristic was also analyzed in this paper. Then the stiffness of the 5 rubber lifting lugs were selected as the design optimiza -tion variable, and the transmission force of 5 lifting lugs was taken as the optimization objective, an approximate optimiza -tion model of the response surface of z-direction stiffness of rubber lifting lug and the peak of transmission force was established automatically by integrating various finite element software on the ISIGHT platform.LSGRG algorithm was used to find the optimal solution of the approximate model, which has achieved the goal of optimizing the stiffness of lifting lug.

exhaust system;lug;rigidity;ISIGHT

A

1671-7988(2019)05-103-04

U464.134

A

1671-7988(2019)05-103-04

U464.134

王宇翔（1991—），男，碩士研究生，研究方向：結構振動與噪聲控制；*

陸靜，博士，教授，研究方向：結構振動與噪聲控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.031