汽车排气系统运动包络面的计算

汽车排气系统运动包络面的计算顾彦 宋艳冗 汪晓虎 刘禹

泛亚汽车技术中心有限公司

汽车排气系统运动包络面的计算 Calculation of the Envelop of the Exhaust System

顾彦 宋艳冗 汪晓虎 刘禹

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海，201201)

摘要: 本文运用MSC Nastran线性接触，建立了汽车排气系统运动包络面的计算方法。与通常的非线性有限元以及多刚体方法相比，本方法具有更精确、高效的特点。

关键词: 排气系统，线性接触，MSC Nastran

Abstract: The linear gap in MSC Nastran is used to establish the calculation method of the envelop of the exhaust system. Compare with the nonlinear FEM and the multi-body analysis, this method is more efficient and accurate

Key words:Exhaust system, Linear Gap, MSC Nastran

1简介

排气系统性能对整车的各项性能有很大的影响，在设计阶段进行排气系统各项性能的预测具有重要的意义，文献[1]从振动角度，建立了利用MSC Nastran确定优化的悬挂点位置的方法，文献[2]则从声学角度，利用MSC Nastran的声学有限元进行了汽车排气系统消声性能的预测。

由于振动噪声性能的要求，汽车的排气系统一般是通过吊耳柔性地与车身相连接。在汽车使用过程中，整个排气系统有较大的运动幅度，可能会造成排气系统与车身或地面相碰，直接影响车辆的性能甚至对零部件产生损伤。因此，在设计阶段，预测排气系统的振动噪声性能的同时，必须对排气系统的运动包络面进行评估，以寻找最平衡的方案。

通常的计算运动包络面的方法是用多刚体动力学，将排气系统简化为刚体或柔性体，将吊耳简化为非线性弹簧。对于排气系统吊耳，通常只能提供一个主方向的非线性刚度，另外五个方向的刚度无法准确提供。这就造成用用多刚体动力学计算运动包络面的精度问题。另一种方法是采用非线性有限元，建立详细的吊耳的有限元模型，定义接触，这样做的好处是比较精确，但计算时间较长。由于在排气系统设计过程是反复迭代优化的过程，非线性计算将带来时间和效率的问题

其实，在排气系统运动包络面计算模型中，只有吊耳部分呈现较强的非线性，并且这些非线性是由于接触造成的。我们采用MSC Nastran的线性接触 (linear Gap)，计算排气系统的运动包络面。

2 线性接触

早在MSC Nastran V70.5就引入了线性接触方法，可以在线性静态求解序列SOL 101中进行简单的接触分析。线性接触可以认为是接触单元的最简单的形式：开启或闭合，没有额外的摩擦和接触刚度[3]〕。

在SOL 101 中，通过显式的多点约束(MPC)引入线性接触。由于采用MPC，所以线性接触没有摩擦和接触刚度。相邻的接触自由度要么闭合，要么开启。线性接触只能传递压方向的力。虽然这样的假设可能过于简单，但对于很多问题，是非常有效的。通过SOL 101中内置的迭代技术，当所有的接触都没有穿透时，迭代收敛，此时线性接触点没有拉方向的力。

图1 节点A 和B 定义MPC

如图1，考察节点A 和B，它们之间在X 方向有0.05的初始间隙

间隙的位移可以定义为

init B A gap X X X X U U U U +−= （1）

按照MPC 的方程重写（1）：

0=−+−init B A gap X X X X U U U U （2）

由于在迭代过程间隙的位移中将被归入R-SET ，不允许是非独立(Dependant)自由

度，而接触的初始间隙被归入S-SET ，因此，或须有一个是非独立自由度。

我们选择作为非独立自由度，重写（2）：

gap X U init X U A X U B X U B X U 0=−+−init gap A B X X X X U U U U （3）

设节点A＝84，节点B＝21，定义线性接触的MSC.Nastran的卡片如下：

SPOINT 10001用于定义接触的开合

SUPORT将SPOINT 10001放入MSC Nastran的R-SET

SPOINT 10002用于定义初始间隙，SPC定义了初始间隙是0.05

方程（3）用MPC定义

相关的其它MSC.Nastran输入：

PARAM，CDITER（整数）确定开合的最大的迭代次数

PARAM，CDPRT （YES/NO）打印迭代历史

PARAM，CDPCH （YES/NO）Punch输出最后收敛的DMIG，CDSHUT

DMIG，CDSHUT 输入初始的开/合状态（缺省＝所有自由度闭合）

3 主刚度的模拟

图2是典型的排气系统吊耳的有限元模型，我们定义连接两个安装孔的方向为吊耳的主方向，即图中的X方向，图3是该吊耳主方向的位移－力试验曲线

接触区域

图2 典型的排气系统吊耳

拐点

图3吊耳主方向位移－力试验曲线

从图2和图3可以看出：在拉方向的30mm 范围内，吊耳基本处在线性状态；在压方向，大约4mm 处出现拐点。在拐点两侧，吊耳也基本是线性的。可以认为，在压的方向，正是由于接触区域的接触，导致刚度有突变，使得试验曲线产生拐点。

通过调整模型的材料特性，接触区域的初始间隙等参数，我们可以比较精确地模拟吊耳主方向的刚度，同时通过该模型也得到了吊耳的其它方向的刚度。

图4是吊耳受压接触后的变形图，图5

是模拟的位移－力曲线与试验结果的对比。

图4吊耳受压接触后的变形图