HyperWorks在汽车排气系统开发中的应用

苏辰

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

某换代车需要修改排气系统。HyperWorks仿真软件平台中的HyperMesh可以利用原排气系统的模型，将其更新成换代车排气系统的模型，实现先于设计进行NVH仿真分析，这样可以大幅提高工作效率，缩短开发周期。HyperMesh有丰富的网格处理功能，可以将网格进行拉伸、平移及删除等操作，特别是Morph功能，可以完成更高阶的网格变形，例如修改排气系统管路的半径。这些实用的功能可以帮助工程师将网格变形成设想的形式。因此，利用这些功能可以完成先于设计预测排气系统的NVH性能。文章介绍了某车型应用此方法预测排气系统NVH性能的过程。

1 建立有限元模型

1.1 动力总成和悬置的建模

动力总成和悬置对排气系统的NVH性能影响很大，因此分析模型必须包括动力总成和悬置。由于分析的对象是排气系统，因此并不需要建立详细的动力总成和悬置，将动力总成简化成质心，悬置简化成弹性单元即可。

这部分建模需要的数据包括：1）动力总成质量；2）动力总成质心位置；3）动力总成惯性矩阵；4）各悬置弹性中心点位置；5）每个悬置弹性中心点各方向刚度。

得到这些数据后，建立CONM2单元模拟动力总成，建立长度很短的CBUSH弹性单元模拟悬置。再用RBE2刚性单元，将CONM2单元与每个CBUSH单元的一个节点相连，另一个节点全约束。某车型动力总成和悬置模型图，如图1所示。

图1 某车型动力总成和悬置模型图

1.2 更新排气系统模型

图2示出排气系统管路变更示意图。因为某车型中央通道的改动，需要将弯曲的管路改成直线。具体变更过程分2步进行：1）将图2中红线之间的网格删除；2）使用2D-＞ruled功能，即可创建新的单元，使弯曲的管路变成直线[1]。第2步的过程，如图3所示。

图2 排气系统管路变更示意图

图3 排气系统改直线管路流程显示界面

为了改善排气背压，需要更改排气系统管路的直径，使用常规的网格修改很难完成这样的改动，但是HyperMesh的Morph功能可以轻松地完成，具体的操作方法如下。

1）进入 Tool-＞HyperMorph-＞domains，操作界面，如图4所示。选择“create”，下拉菜单切换成“2D domains”，将“all elements”切换成“elems”，选中管路的单元，勾选“partition 2D domains”选项，最后点击“create”，2Ddomains创建完成。点击“return”。

图4 更改排气管径2D domains操作界面

2）进入 Tool-＞HyperMorph-＞Morph，操作界面，如图5所示。选择“alter dimensions”，下拉菜单切换成“radius”，“radius=”输入新管路的半径，“center calculation”选择“by edges”，“domains”选取图 5 箭头标示的domain。点击“morph”，管路的半径即变成输入的值。

图5 更改排气管径morph操作界面及选取示意

1.3 装配

完成以上工作后，将两部分装配在一起，装配完成细节，如图6所示。动力总成与法兰的螺栓孔使用BRE2和CBUSH单元连接，CBUSH单元各方向的刚度可以从试验获得。动力总成与球铰使用RBE2单元和一个长度很短的RBE2单元连接，后者放开所有的转动自由度，模拟球铰可以围绕球心一定程度地转动。

图6 动力总成与法兰的装配示意图

2 NVH仿真分析

2.1 模态分析

为了使整车的NVH性能达到较高的水平，需要尽量满足模态分离的原则，即各子系统的模态频率尽可能地相互避开。依据此原则排气系统各阶模态的频率需尽可能地避开怠速频率范围。

使用HyperWorks的RADIOSS求解器可以较好地进行模态分析。在HyperMesh中设置EIGRL和Load-Steps后，进入 Analysis-＞Radioss，操作界面，如图 7 所示。“export options”选择“all”，“run options”选择“analysis”，“memory options”选择“memory default”。点击“Radioss”开始计算。

图7 求解模态的RADIOSS操作界面

计算完成后，点击图7中的“HyperView”，即可使用HyperWorks软件平台的HyperView后处理软件查看各阶模态频率和位移云图，如图8所示。根据模态分离的原则，在怠速频率范围内尽量避免出现排气系统的模态。根据得到的结果可以很轻松地判断是否满足此原则，为设计和优化提供指导[2]121。

图8 各阶模态频率和位移云图显示界面

2.2 频率响应分析

为了避免排气系统出现较大幅度地振动，需要对其进行频率响应分析。将更新后的排气系统与原排气系统做对比，预测更新后的排气系统的振动特性。

动力总成的局部坐标系，如图9所示。排气系统的激励主要源自动力总成的活塞和输出轴。活塞沿Z方向做直线运动，输出轴以X轴为轴心转动，所以在质心添加类型为DAREA的边界条件，设置dof3=1，dof4=1，用此方法模拟动力总成的激励[2]138，如图10所示。

图9 某车型动力总成局部坐标系

图10 施加激励的操作界面

频率响应分析包括3个输出点：副消声器、主消声器及尾管末端，如图11所示。使用RADIOSS求解器进行频率响应分析，再使用HyperWorks另一个后处理软件HyperGraph可以很便捷地读出频率响应曲线，再和原排气系统进行对比，其频率相应曲线，如图12所示。从图12可以看出，更新后的排气系统的频率响应曲线优于原排气系统。

图11 频率响应分析输出点位置示意图

图12 各输出点频率响应曲线对比

3 结论

文章简述了HyperWorks在排气系统开发过程中的应用，重点是HyperWorks前处理软件HyperMesh的众多实用功能可以将网格变形成预想的形式，能够先于设计进行NVH仿真分析。

RADIOSS求解器和HyperView与HyperGraph后处理软件同属HyperWorks平台，可以方便地和前处理软件HyperMesh进行交互，数据传递。HyperView可以显示各阶模态的频率，判断怠速频率范围内是否出现排气系统的模态。HyperGraph可以读出频率响应曲线并进行对比，并且能预测更新后的排气系统的振动特性。