乘用車排氣掛鉤動剛度分析及優化

柏國杰，李龍偉 ，黃傳海 ，彭和飄

(1.柳州坤菱科技有限公司，廣西 柳州545616；2.柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545616)

0 前言

白車身是整個汽車最基礎的系統，由框架和板結構組成[1]。振動激勵源都作用在白車身上，使車內產生噪聲振動，因此白車身對整車噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)性能至關重要。排氣系統通過排氣掛鉤搭接在車身上，前端與發動機相連，承受著發動機高壓高溫氣體沖擊[2]。因此，排氣掛鉤對于白車身也是1個激勵點，若其動剛度低，白車身容易被激勵起來，同時通過結構向車內傳遞噪聲。

1 存在問題

某乘用車車型在開發階段試制樣車時對白車身動剛度進行測試，測試結果發現其中1個掛鉤Z向動剛度未滿足目標要求。圖1為排氣掛鉤動剛度測試傳感器布置圖。

圖1 排氣掛鉤動剛度測試

將測試的數據進行處理分析，得到的加速度響應曲線和等效動剛度如圖2所示。由圖2可以看出：測試的加速度響應高于目標加速度曲線，且等效動剛度(326 N/mm)未滿足設計目標(≥500 N/mm)。排氣掛鉤動剛度未滿足目標要求，存在NVH問題的風險，需要優化。

圖2 排氣掛鉤動剛度測試加速度曲線

2 仿真分析

2.1 有限元模型建立

基于試驗對應的數模進行有限元模型的搭建，白車身2D網格按8 mm×8 mm標準劃分；排氣掛鉤劃分3D六面體網格，網格尺寸為2 mm×2 mm×2 mm。車身鈑金之間采用六面體實體單元和柔性單元(ACM)組合模擬點焊連接，螺栓孔及燒焊連接采用線性剛性單元(RBE2)模擬。搭建的掛鉤模型如圖3所示。

圖3 排氣掛鉤有限元分析模型

2.2 理論分析

采用加速度頻率響應函數對動剛度進行分析，分析時主要考察的頻率范圍為20～400 Hz。加速度頻率響應函數又稱加速度導納，它是指在單位力作用下，作用點沿力作用方向的加速度隨力作用頻率的變化[1]，加速度導納的計算公式為：

EIPI=α/F

(1)

式中：EIPI為加速度導納；a為加速度；F為激勵力。

動剛度的計算公式為：

Ka=F(ω)/X(ω)

(2)

式中：Ka為動剛度；F(ω)為振力幅函數；ω為迫振動圓頻率；X(ω)為位移響應函數。

式1和式2結合可以得到加速度導納的表達式為：

(3)

式中：f為頻率。

如果加速度導納曲線所包含的面積與對應的動剛度的加速度曲線所包含的面積相等，則以計算得到的等效動剛度作為動剛度，具體表達式為：

S等效=SIPI=∑EIPI·Δf

(4)

式中：S等效為等效動剛度的加速度曲線所包含的面積；SIPI為加速度導納曲線所包含的面積。

2.3 仿真結果分析

圖4為該仿真模型的Z向動剛度分析加速度曲線結果，經計算得到等效動剛度為352 N/mm，未滿足設計目標要求(≥500 N/mm)；當該掛鉤受外界激勵時，容易產生振動，帶來NVH問題，故需要對此掛鉤進行優化。從圖4可以看出：仿真的加速度曲線與測試的加速度曲線趨勢基本一致，表明仿真分析具有一定的可靠性和指導性，可以通過仿真手段尋求優化方案。

圖4 排氣掛鉤仿真模型Z向加速度曲線

3 診斷優化

3.1 工作變形分析(ODS)診斷

工作變形分析(ODS)為結構在某特定頻率下的工作變形。排氣掛鉤仿真分析Z向加速度曲線如圖5所示[3]。由圖5可以看出：在頻率為388 Hz時加速度響應最大，其動剛度最低，故分析排氣掛鉤在388 Hz時的工作變形位移云圖，如圖6所示。

圖5 排氣掛鉤Z向加速度曲線

圖6 排氣掛鉤工作變形云圖

從工作變形云圖分析，為提高排氣掛鉤的Z向動剛度，可以通過加強排氣掛鉤剛度或橫梁局部區域剛度的方法進行優化。

3.2 優化方案

仿真分析及試驗結果都表明該排氣掛鉤Z向動剛度未滿足設計目標，在實車中很有可能會帶來NVH問題。結合工作變形云圖分析，提出了3種方案對其結構進行優化。

方案1為延長排氣掛鉤桿的加強桿，加強排氣掛鉤的剛度，如圖7所示。

圖7 排氣掛鉤優化方案1

方案2為排氣掛鉤安裝板橫向加長約25 mm，縱向加長約15 mm，添加5個焊點，提升排氣掛鉤搭接區域的剛度，如圖8所示。

圖8 排氣掛鉤優化方案2

方案3為在排氣掛鉤安裝的橫梁板左側添加類似右側凹筋條特征，筋條深度約2 mm，通過加強橫梁的剛度來提升排氣掛鉤的剛度，如圖9所示。

圖9 排氣掛鉤優化方案3

3.3 優化方案分析結果分析

3種優化方案的動剛度分析結果如圖10所示。由圖10可以看出：方案2和方案3均滿足了設計目標要求，其加速度響應基本都小于500 N/mm的加速度響應，其等效動剛度大于500 N/mm。經過分析，3種方案均對排氣掛鉤的Z向動剛度性能有所提升。

圖10 排氣掛鉤優化方案仿真結果

結合實際工程需求分析，方案2增加了0.04 kg質量，額外添加5個焊點的工藝；方案3對大橫梁板添加筋條，不增加質量用料。從成本和工藝上的考慮，最終選擇實施方案3。

3.4 方案驗證

在樣車上選擇實施方案3，測試的加速度響應結果如圖11所示。由圖11可以看出：實際方案3的加速度響應在頻率為300 Hz以下低于目標值；方案3的等效動剛度為551 N/mm，滿足目標要求。

圖11 排氣掛鉤方案3試驗加速度曲線

4 結語

在白車身加速度導納動剛度測試中，發現某個排氣掛鉤Z向動剛度未能滿足設計目標要求；結合測試白車身的3D模型，搭建其白車身有限元模型，對該排氣掛鉤動剛度進行仿真分析。

通過對所搭建的模型仿真結果及ODS工作位移診斷，提出仿真優化方案，并對優化方案進行仿真分析，結合實際工程及工藝后選擇加筋條的優化方案。

對所選擇的方案再次進行白車身動剛度試驗，結果滿足目標要求，驗證了仿真中加筋條方案的合理性和有效性。