Hypermesh计算消声器模态

运用Hypermesh计算消声器模态

1 概述

目前许多CAE分析都采用HyperMesh进行网格划分，后期计算采用其它如Nastran，Ansys等分析软件，在多个软件之间的接口，需要设置不同的控制卡片，对于CAE分析来讲比较烦琐，过多的文件转换也容易造成信息遗漏。HyperWorks自带的求解器RADIOSS和后处理软件HyperView可以很好的解决这个问题。整个分析过程在同一个操作界面中可以实现。模态分析是汽车零部件常见的分析工况，本文通过对汽车消声器的计算实例，说明HyperWorks在模态计算方面的应用。

2 消声器结构分析

消声器是汽车上重要的降噪部件。目前消声气多注重声学方面的研究，针对其振动形式研究较少，缺少量化标准。对消声器支架以及消声器安装设计来讲，消声器的振动研究是必要的。本文通过对消声器进行数字化建模，计算其振动模态，并模拟在特定激励下消声器的响应，获取消声器的动力学参数。

2.1 消声器概况

利用CATIA V5R19软件中的钣金模块建立模型。消生器内部采用焊接的方式连接。中间的消声层采用高温耐热材料，将排气的声能转化为热能。为提高计算效率，对模型的一些细节进行了简化。去除焊接部位及边缘的折棱，取消外部的隔热板以及安装的支架。模型如图1所示。

图1 几何模型

2.2 网格的前处理

对将Catia装配模型导入HyperMesh10.0进行网格划分。消声器大部分是薄壁件，用Shell单元对消声器薄板进行划分。导入HyperMesh的零件模型为面元素，进行相应的几何清理，利用HyperMesh里面的midsuface面板进行中面抽取操作。对于体的部分也进行了抽取中面的操作。

分别在各个面上划分网格，为了控制网格的数量，进排气管上，以及共振腔壁面上的圆孔用小方孔近似替代见图2，内部的薄板是焊接在外层蒙皮上的，直接合并结点，将其连接为一体见图3。

图2 小孔的处理

图3 焊接部分的处理

共划分四边形单元74566个，三角形单元1088个。消声器模型做了适当简化，将消声材料去掉，另外。消声器采用自由模态的方法，不添加约束。

将材料特性赋给给各个Component后，对整个装配模型进行质量检查，发现模型的质量为26.5kg，而实际消声器质量为29.3kg．由于对于消声器模态来讲，质量和刚度对于模态结果非常重要，因此重新检查模型。

先前为了简化起见，将所有板金折叠部分以及外部的边棱去掉，现在将这些特征重新在有限元模型上表现出来，重新定义其厚度。见图4。

图4 有限元模型（剖面）

2.3 有限元计算结果

利用RADIOSS中的Lanczos方法计算消声器模态，利用HyperView软件获取最后的结果：

图5 有限元计算结果

2.4 模态结果分析与试验结果对比

表1 模态结果分析与试验结果对比

从模态结果上来看，由于受到试验条件的限制。消声器的主要模态集中在右侧隔热板上，隔热板是利用铆钉和支架焊接在一起的。此处的模态频率比较低，而消声器的钢板是焊接和卷装在一起的，作为一个整体频率普遍较高

结果分析：从结果来看，总体上试验结果与计算结果是相户吻合的，低阶时由于右侧隔热板与消声器之间是铆接的，而且存在缝隙和过赢配合。由此导致有限元拟合比较困难，误差较大，但从高阶上看基本与试验结果相吻合，可以反映消声器真实的模态。

自由状态下的消声器在200Hz以下的振动模态一共有69阶（除去6个刚体模态外），其中消声器外部蒙皮的模态一共是19个，其余50个模态都为消声器内部隔板的模态。在消声器蒙皮的模态中包含右侧（以进气管为前，排气管为左）11个，左侧4个，上侧1个，后侧2个，前面1个模态。消声器内部的隔板比较薄(0.6mm)，刚度低，低阶模态集中比较多。消声器右侧是共振腔，结构比较简单，都

是大面积的薄板，低阶模态主要集中在这里，在消声器左侧由于布置了进排气管以及其他的小面积隔板，结构刚度较大，低阶模态相对少。

从消声器的原理来讲，右侧共振腔内低的模态有利于被低频气流激发共振，吸收气流能量，达到降低噪音的目的。消声器蒙皮振动在上下方向以及前后方向振动低频比较低，一共5个，而且都在158Hz以上，在考虑气流激励频率的情况下，这些激励产生共振的可能比较小，在消声器的前后以及上下端面部位会用钢带与支架连接，不希望消声器产生过大振动而对支架产生疲劳损伤。

3 结论

利用HperMesh10.0对卡丁车和消声器进行网格划分，由于消声器都是薄壁件，所以使用Shell单元划分，2D单元的网格质量很容易控制，且数量较少，计算效率高。HyperMesh10.0提供的抽取中面的面板，很容易从几何特征中获得中面。这要比利用四面体划分网格获得网格数目少的多，而且网格质量更好。在HyperMesh的面板中可以调入RADIOSS和HyperView直接计算。从模态计算结果来看与试验结果偏差不大，对于后续的设计或评价有参考意义。