基于模态分离的动力总成模态优化方法

基于模态分离的动力总成模态优化方法

动力是影响汽车nvh性能的重要激励因素。它的振动通过悬挂系统的悬挂点传输到车身，并在车内引起异常振动。尤其,当排气系统模态频率在怠速频率范围内,会产生严重的怠速共振。因此,控制排气系统模态与怠速频率频率分离是一个重要的NVH指标。通过模态分离,可以有效的避免开发后期成品车的怠速共振问题,在某皮卡车开发过程中,尝试应用下述方法优化该车的排气系统模态。排气系统模态优化的分析流程如下:2)确定排气系统挂钩位置;4)分析试验结果确定最优参数。1质心定位原理及质心安装排气系统与发动机通过法兰连接,通过吊挂装置与车架连接;其一般由三元催化装置、波纹管、消声器及各部件之间的连接管道组成。排气系统模型建立涉及到以上零部件:1)动力总成系统在其质心坐标位置应用集中质量单元模拟,并输入其质量、转动惯量等参数,这些参数可由动力总成转动惯量试验获得;2)动力总成悬置在悬置的弹性中心处建立CBUSH单元,根据悬置的设计参数,输入其主弹性轴刚度;3)波纹管和吊挂点处的橡胶吊耳以CBUSH单元模拟,其初始刚度值应用以往其它相似车型的设计值;4)排气系统的大部分钣金件用壳单元模拟,而法兰与挂钩等部分采用实体单元CHEXA/CPENTA模拟;5)焊接单元使用ACM单元模拟,螺栓使用RBE2单元模拟。应用以上原则,在ANSA中建立此模型,如图1所示。2u3000解决方案排气系统模态优化的基础是确定排气系统挂钩的位置,吊钩位置的合理布置是减振降噪的重要途径,一般选择排气系统振动较小的位置作为挂钩的吊挂点,对于排气系统到车架的振动衰减、增加吊耳寿命等具有作用。本文按照参考文献介绍的平均驱动自由度位移(ADDOFD)方法,在某频率范围内全部模态被激发的情况下,将所有模态位移加权处理,选取叠加位移最小点位置或附近位置作为挂钩悬挂点。首先,明确激励范围的频率,此款车使用4缸4冲程柴油发动机,发动机的额定工作转速为3600rpm,发动机的二阶激励由公式,(式中,i为发动机的气缸数,n为发动机转速,m为发动机的冲程数)计算,对应于发动机额定转速的激励频率为120Hz。利用MSC.NastranSOL103求解排气系统0~120Hz范围内的所有自由模态,并输出Punch中性文件用于后处理。沿排气管轴向从其热端到冷端中心线顶部节点的X向坐标作为位移加权曲线图的X轴,所有节点的加权位移值作为曲线图的Y轴坐标,见图2。从图2可知,选取曲线的波谷处作为吊钩悬挂点最为理想,由于排气系统结构、其运动包络空间及与车架连接位置等因素限制,并不能将所有挂钩位置布置在曲线的波谷处,如图2中红色圆圈标出的挂钩位置实际对应图1中的挂钩位置。3结果分析和讨论排气系统模态优化有不同方式,例如:可以改变其结构,修改管道的直径和厚度,修改消声器的位置等,这种方式的弊端是会造成排气背压、排气噪声等的变化。本文选用调整排气系统软连接部位的刚度,包括波纹管刚度和橡胶吊耳刚度参数,达到排气系统模态优化目的。正交试验设计是分析多因素试验的科学有效的方法,其优点在于可以从很多试验方案中挑选出代表性强的少数试验方案,根据试验结果分析,推断出最优的方案,同时可以得到比试验结果本身给出的有关因素的信息。本文采用2水平7因素的8次正交试验设计L8(27),根据以往设计经验选择对模态影响较大的七个因素(用A,B,C,D,E,F,G表示),每个因素分别设置两个不同的水平值,见表1。表中:Kx1,Ky1,Kz1波纹管线性刚度;Kxx1,Kyy1,Kzz1为波纹管扭转刚度;Kx2,Ky2,Kz2为橡胶吊耳线性刚度。应用MSC.Nastransol103求解得到以下8组不同的计算结果,见表2。表中列出了主要关注的排气系统模态:第1阶横向弯曲模态、第1阶垂向弯曲模态,第2阶横向弯曲模态、第2阶垂向弯曲模态。根据模态分离原则,上述4个频率应该避开的一些频率描述如下:1)第1阶横向、垂向弯曲模态应该低于发动机二阶怠速频率,否则会引起强烈的振动耦合。发动机怠速频率在空调关闭、开启情况下分别是750rpm,800rpm,转速的波动范围是30rpm;因此,发动机怠速激励的二阶频率范围是24Hz~27.7Hz。2)为了避免排气系统自身模态耦合,其相邻两阶模态频率建议错开2Hz以上。3)排气系统的第一阶弹性体模态应该大于动力总成系统的刚体模态,该款动力总成的刚体模态范围在5.7~14.2Hz,建议第一阶弹性体模态频率在16Hz以上。4因素对模态分离的影响对以上正交试验结果进行分析,分别计算7个因素对4个模态的极差,分析各因素对不同模态的影响,绘制各因素随水平变化的因素指导图,见图3。图中X轴分别是7个因素的不同水平值,Y轴是模态频率值,4组变化的曲线是7个因素对模态变化的影响趋势,曲线的斜率越大说明因素对模态影响越大。综合来看,7个因素对模态第1阶垂弯、横弯影响较大,而对第2阶垂弯、横弯影响较小。其中因素G对第2阶垂弯有显著影响,因素F对前3阶模态均有较大影响。分析正交试验结果,发现所有结果均不满足模态分离要求,从第2阶横弯、垂弯模态来看,第2,3,5,8组试验模态错开了2Hz以上;第8组的波纹管刚度较大,有主要提高疲劳寿命,因此在8组的基础上进一步对参数进行调整。分析图3,提高因素E,F的值,同时降低因素G的值,有助于将第1阶横弯、垂弯频率降低。因此,因素E,F取值为10N/mm,因素G取值35N/mm。重新计算,得到4个模态频率分别为16.3Hz,21.9Hz,33.8Hz,37.6Hz,该结果满足模态分离要求。七个因素的最终优化参数为:5排气系统约束模态优化设计在整车排气系统开发过程中,应用CAE分析