基于OptiStruct消声器端盖形貌优化

基于OptiStruct消声器端盖形貌优化
侯献军;李金龙;刘志恩;颜伏伍;杨伦;周锦佳
【摘要】An original muffler modal was analyzed by finite element method.Based on the results of the analysis, the topography of the muffler cover was optimized by OptiStruct software.The optimization was used to improve the first natural frequency of the muffler.The optimization results were combined with manufacturing processes to arrange the ribs of muffler cover,and then optimization case was validated.Results show that the first natural frequeney increases by 30％.It provides a new approach of the ribs arrangement of the muffler cover.%采用有限元方法对某消声器进行模态分析,根据分析结果,以提高消声器的第1阶固有频率为目标,在OptiStruct软件中对消声器端盖进行形貌优化.根据优化分析结果,将其与制造工艺相结合,布置消声器端盖的加强筋,并对优化方案进行验证,结果表明,所得到的消声器第1阶固有频率提高了30%,优化效果明显,为消声器端盖加强筋布置提供了新的思路.
【期刊名称】《武汉理工大学学报（信息与管理工程版）》
【年(卷),期】2011(033)002
【总页数】4页(P220-223)
【关键词】消声器;模态分析;形貌优化
【作者】侯献军;李金龙;刘志恩;颜伏伍;杨伦;周锦佳
【作者单位】武汉理工大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070;武汉理工大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070;武汉理工大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070;武汉理工
大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070;柳州利和排气控制系统有限公司技术中心,广西,柳州,545006;柳州利和排气控制系统有限公司技术中心,广西,柳州,545006
【正文语种】中文
【中图分类】U463
汽车消声器是排气系统中的重要部分，其结构设计的好坏，不仅直接影响消声器的消声效果，而且会影响其强度和刚度，甚至还会引起强烈的振动。

在汽车运行时，排气系统承受来自路面和发动机的激励，消声器必须满足一定的强度和刚度要求。

低模态伴随着低刚度，因此，需避免消声器结构上的低模态频率。

提高消声器结构刚度和强度的方法很多，通常有增加支撑结构、增加材料厚度、改善冲压成型过程以及应用高强度材料，但实际工程中，最优先考虑的应该是钣金的形貌优化［1］。

笔者以某消声器为研究对象，以提高其第1阶固有频率为优化目标，在HyperWorks－Optistruct软件中进行形貌优化分析，提出了一种优化方案并进行验证，为最后模型设计节省了大量的时间［2－3］，且采用形貌优化所需付出的
成本较低，效果非常明显。

1 消声器的模态分析
消声器的初始设计结构如图1所示，整个消声器分为3腔。

消声器的表面板壳非
常薄，当有高速气流从消声器中流过时，这些薄板结构很容易被激励起来，从而辐射出强烈的噪声［4］。

为较好地避免消声器的辐射噪声，设计过程中要求消声器的第1阶固有频率大于365 Hz。

为了评估该消声器设计的可行性，对消声器进行模态分析，其有限元模型如图2
所示。

在保证计算精度和提高计算效率的情况下，整个模型采用了四边形和三角形的混合壳体单元。

单元的尺寸大小和数量以不影响计算结果的正确性为依据，并在
穿孔区域采用单元细化［5］，最终确定单元总数为44 958个。

为简化模型和计算，消声器的进、排气管与隔板，隔板与筒体之间直接用壳单元连接，同时焊接部分也是采用二维壳单元模拟。

然后输入材料参数、设置材料厚度、确定约束，进行自由模态分析。

计算得到的第1阶模态云图如图3所示，结果显示消声器的第1
阶固有频率为316 Hz，端盖处振动较大。

分析的结果不能满足设计要求，因此需对该设计方案进行结构形貌优化。

图1 消声器结构
图2 消声器有限元模型
2 消声器的形貌优化
基于原消声器的第1阶固有频率和模态云图，为了增加其结构强度和刚度，提高
第1阶固有频率，采用在消声器端盖上布置加强筋的方法。

加强筋的位置和形状
对减振效果影响很大［6］，为了最大限度地减少该处的振动幅值，对消声器端盖进行形貌优化，以确定最佳的加强筋位置和形状。

图3 消声器1阶模态云图
2．1 形貌优化的设计流程
以初始消声器的分析结果为基础，对最初设计模型进行形貌优化，再根据优化结果，结合加工工艺和成本，提出新的优化方案，并对优化方案进行验证，可以快速得到满足要求的优化模型，整个形貌优化设计流程如图4所示。

图4 形貌优化设计流程
2．2 形貌优化数学模型
形貌优化设计的数学模型可表述为:
式中:X=(x1，x2，…，xn)为设计变量;f(X)为目标函数;g(X)为不等式约束函数;h(X)为等式约束函数;为设计下限;为设计上限。

2．3 设计变量和约束
在消声器端盖形貌优化中，设计变量X为形状扰动的线性组合因子［7］，此处为消声器端盖形状变化，即端盖节点位移的变化。

用有限元软件OptiStruct进行形貌优化，必须先定义一个设计区域，即布置加强
筋的区域。

由于网格节点变形后起筋与未起筋区域之间的网格形状变化较大，容易导致网格畸变［8］，因此在消声器端盖与进、排气管连接处不能作为设计区域。

在端盖与筒体连接处，由于零件卷边，没有合适的起筋平面，因此也排除在外。

最终确定的设计区域如图5所示。

同时，需要确定加强筋的参数和约束条件［9］，如图6所示，根据单元尺寸的大小确定最小起筋宽度为B=10 mm，起筋角为
θ=75°，并根据冲压加工工艺及其材料成形特性确定起筋的最大高度为H=5 mm。

然后设置设计下限设计上限，其约束条件为控制消声器端盖节点位移变量为
0≤xi≤5 mm，i=1，2，…，n。

图5 设计区域
图6 加强筋参数
2．4 目标函数
考虑到消声器的第1阶固有频率偏小，低于设计要求的365 Hz，因此在形貌优化过程中将其第1阶固有频率最大化定义为目标函数。

要尽量提高其第1阶固有频率，使其达到设计要求。

2．5 计算结果及优化方案
经过15轮的迭代计算，得到优化后的消声器第1阶固有频率为421 Hz，提高了33%，完全满足设计要求。

在HyperView中查看消声器端盖优化的起筋变形云图，如图7所示，深色部分为起筋高度最大处，前端盖生成了3条加强筋，后端盖生
成了两条加强筋，在大平面处都有一条较大的加强筋，对端盖起筋设计具有较好的参考价值，为确定加筋的位置和形状提供了依据。

图7 端盖起筋变形云图
根据以上的优化结果，应用HyperWorks软件后处理中的OSSmooth工具，可
以获得形貌优化的几何图形。

该工具能够得到比较光滑的几何图形。

通过设置里面的起筋阈值、平滑算法和表面缩量角等参数［10］，生成消声器端盖起筋的几何
图形，如图8所示。

基于形貌优化的结果，考虑到冲压加工工艺和加工成本，在此基础上选取一部分影响较大的加强筋进行布置，并进行光顺处理得到如图9所示的优化方案。

合理地
截取优化结果中部分加强筋，保留两端盖上较大的加强筋，并适当扩大面积，同时为了加工方便，选择好加强筋与卷边、进、排气管连接处合理的过渡区域。

虽然没有完全采用形貌优化结果的布置，但同样可以加大消声器的整体强度和刚度，提高消声器第1阶固有频率。

图8 端盖起筋几何图形
图9 优化后端盖结构
3 优化方案的验证
为了验证新方案的可行性，对优化后的模型进行模态分析，优化后结构的有限元模型如图10所示，整个模型有41 444个壳单元，经计算得到优化后模型第1阶模
态云图如图11所示，端盖处振动较小，可知优化后的模型大大提高了整个结构的强度和刚度。

第1阶固有频率为409 Hz，比最初设计模型提高了93 Hz。

图10 优化后有限元模型图
图11 优化后1阶模态云图
为了进一步验证新模型的可靠性，对优化后的消声器进行模态实验，如图12所示，经测试，得到消声器的第1阶固有频率为414 Hz，振型如图13所示，与计算得
到的结果很相近。

图12 优化后模态实验
图13 模态实验1阶振型
最初设计方案与优化后方案的分析和实验结果如表1所示，结果表明，优化后模
型的第1阶固有频率比最初设计模型提高了30%，完全满足设计要求。

表1 最初设计与优化后设计的1阶模态结果比较最初设计/Hz优化后计算/Hz优
化后计算提高百分比/%优化后实验/Hz实验提高百分比/%316 409 29．4 414 31．0
4 结论
(1)形貌优化是一种形状最佳化的方法，是一种在板型结构中寻找加强筋分布的概
念设计方法，可用于设计薄壁结构的强化压痕，来提高结构的强度和频率。

在优化过程中，合理地设置优化参数，可获得比较满意的加强筋形状和布置方式。

优化后的结果可通过OSSmooth工具产生几何图形。

(2)为了提高消声器的第1阶固有频率，对消声器端盖进行了形貌优化设计。

基于
形貌优化计算结果，并考虑冲压加工工艺和加工成本，设计出消声器端盖优化方案。

(3)对优化后方案进行模态分析和实验验证，并与最初设计方案进行对比，优化后
的方案对消声器的第1阶固有频率提高了30%，满足设计要求，为消声器端盖加
强筋布置提供了新的思路。

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