OptiStruct在汽车消声器外壳优化设计中应用.pdfVIP

OptiStruct 在汽车消声器外壳优化设计中的应用 代智军 刘海波 周新 徐东辉 (天纳克汽车工业有限公司上海研发中心） 摘 要：本文应用 Altair HyperWorks 的 OptiStruct 优化模块，采用形貌优化技术，对某型号汽车排气系统的消声器进 行了优化分析，得到了消声器外壳的最佳形貌，并根据优化结果对消声器表面形状进行了相应的改进设计，同时在 消声器中部增加了加强肋板以提高结构的共振频率。计算结果表明，经过优化设计后的消声器一阶频率达到客户要 求。 关键词：形貌优化，一阶频率，模态，消声器 1 概述 消声器是汽车排气系统的重要部件，其功能是既让汽车废气通过，又要有效地降低和消除气流 噪声，其性能直接影响汽车乘坐的舒适性。本文以某型号汽车排气系统后消声器设计为例，阐述了 OptiStruct 在消声器外壳优化设计中的成功应用。 2 有限元模型及模态分析 某型排气系统后消声器三维实体模型及有限元模型如图 1 所示，有限元模型采用四边形壳体单 元进行网格划分，单元类型为 CQUAD4，共有节点 15431 个,单元 15768 个。材料为不锈钢，弹性 模量 210GPa，泊松比 0.28，密度 7800Kg/m3。 应用 OptiStruct 求解器对此有限元模型进行了自由模态分析，其前两阶模态振型结果如图 2 所 示，前两阶模态频率分别为 395Hz 和 483Hz 。 (a) (b) 图 1 消声器原始模型 (a)几何模型 (b)有限元模型 Figure 1 Original Design of Muffler (a) CAD Model (b) FE model. - 1 - 第一阶振型（395Hz ） 第二阶振型（483Hz ） 图2 原始模型的模态分析结果 Figure 2 Mode Shape of the Original Model 3 形貌优化分析 基于上述模态分析结果，原始设计的消声器一阶频率偏低，不能满足客户要求（室温下一阶频 率大于 600Hz ）。为此基于OptiStruct/Optimization 的形貌优化功能（Topography ），以消声器上 下外壳为优化变量，以一阶固有频率最大化为优化目标，建立了消声器的优化分析模型。利用 OptiStruct 优化模块，采用形貌优化技术进行了分析，得到如图 3 所示的优化结果。 (a) OptiStruct 优化结果 (b) 手动修改后的模型 图3 优化后的模型 Figure 3 FEA Model after Optimization - 2 - (a)第一阶振型（453Hz ） (b)第二阶振型（590Hz ） 图4 优化后模型的模态分析结果 Figure 4 Mode Shape of the Optimized Model 根据优化结果，考虑制造和加工工艺，对原始模型进行结构修改，得到修正后的优化模型，如 图3(b)所示，其中加强肋深度为 5mm 。进而对优化后的模型进行了模态分析，其前两阶模态振型结 果如图 4 所示，前两阶模态频率分别为 453Hz 和 590Hz 。计算结果表明，优化后模型的一阶频率较 原始设计已有显著提高，提高幅度约为 15%。 4 消声器模型的确定 基于上述优化分析结果，经 OptiStruct 优化后的消声器一阶频率虽然较原始设计有了显著提高， 但仍低于客户的目标频率。为了进一步提高消声器外壳的一阶固有频率，考虑在优化设计的基础上， 在消声器中部增加加强肋板，以进一步提高消声器壳体