【doc】摩托车消音器的优化设计

【doc】摩托车消音器的优化 摩托车消音器的优化设计 2010年第5期 (总第226期) 农业装备与车辆工程 AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING No.520l0 (Totally226) 摩托车消音器的优化设计 王金杰 (福田雷沃重工诸城车辆厂技术中心,山东潍坊262200) 摘要:针对消音器总成在实际使用中出现与连接管断裂的问题,本文运用UG软件 进行三维模型,运用 HypermeshNXMasterFEM软件对消声器进行模态,瞬态动力响应失效因子分 析及定性疲劳分析,提出 不同的改进,并将各种方案进行对比,确定优化改进方案. 关键词:消音器:Hypermesh;有限元 中图分类号:U483:U463.134+.4文献标识码:A文章编号:1673—3142(2010)05— 0015—04 TheOptimizationDesignoftheMotorcycleMuffler WANGJin-jie (TechnologyCenterofFotonLovolHeavyIndustryZhuchengVehicleFactory,Weifang262 200,China) Abstract:FortheproblemthatmufflerassemblyfracturesfromCAmnectingpipeinactualuse ,a3DmodelisbuiltusingUG software,andmufflermodalanalysis,transientdynamicresponseanalysisoffailurefactorsa ndqualitativefatigueanalysisto mufflerisdoneusingHypermeshNXMasterFEMsoftware.Severalschemesareputforward .Throughcomparisonoftheanalysis results.theoptimumdesigniSdetermined. Keywords:muffler;hypermesh;finiteelement 前言1.2 在摩托车整车构造中,排气消音器不仅起到 消声作用,还对发动机性能有直接影响.排气系统 的变动,会影响进气系统,从而影响整个发动机的 功率特性.由于摩托车用户大多在乡镇农村地 ,地形等较差,所以对摩托车消音器的性 区,道路 能,焊接强度等要求也就比较严格.在实际使用 中发现现有的排气管与消音器连接处容易}H现 断裂,有必要对摩托车消音器安装方式和结构的 合理性进行研究.本文对150,175和200系列发 动机所配的消音器进行有限元分析,以获得优化 设计方案. 1模型处理 1.1建模软件 UG软件:使产品开发从设计到加真正实现 了数据的无缝集成. Hypermesh软件:最显着的特点是具有的强 大的有限元网格前处理功能和后处理功能川. 收稿日期:2010—03—27 作者简介:王金杰(1970一),男,山东诸城人,诸城车辆厂研 究所所长,主要从事车辆开发及研究工作. 三维模型建立 运用UG软件的建模模块,根据实际测量参 数,建立消音器二三维几何模型.效果如图1. 图1消音器的三维几何模型 1.3有限元模型建立 将UG中模型导人HYPERMESH进行操作, 采用8节点壳单元对消音器进行网格划分.连接 橡胶块与连接螺栓分别用6面体单元和梁(beam) 单元进行网格划分,对焊缝进行简化,直接用节点 图2有限元模型 一 15— 2010年第5期农业装备与车辆工程 融合进行模拟,如图2. 材料特性: 材料Q215A:弹性模量E=206GPa,泊松比= 0-3.屈服强度o',=215MPa 橡胶材料:弹性模量E=0.3GPa,泊松比= 0.49. 2工况及方案的确定 2.1工况的确定 由于实际使用_T况比较复杂且各不相同,消 音器各连接处的激励无法获得,故本分析只在各 连接点处施加单位位移正弦函数的倍数,频率分 别取:70.833(8500/2x60)Hz,66.67(8000/2x60)Hz 及62.5(7500/2x60)Hz,即位移幅值分别取2.5倍 单位位移,2倍单位位移,1.5倍单位位移.具体方 法及位置见图3. 图33个连接位置施加单位位移激励 2.2方案的确定 分别对原模型,在排气筒与消声器连接处增 加加强板,连接板后移,连接板前移进行分析,如 图4一图7所示. 一 16一 图4方案1原有限元模型 图5方案2增加加强板有限元模型 图6方案3连接板后移有限元模型 ' 图7方案4连接板前移有限兀模型 3模态分析 考虑主振源为单缸发动机,最高转速为 ,发动机做功1 8500r/min情况,曲轴旋转2周时 次,此时发动机振动频率为70.8Hz,所以做模态分 析时,取200Hz以内模态. 通过分析计算,求得了该结构的200Hz以内 的模态,各阶模态的固有频率见1. 表14种方案下的固有频率 4瞬态响应失效因子分析 实际使用中消音器的薄弱部位位于排气管与 消音器的结合部位,即图8中的取样点位置,对取 样点进行失效因子分析,可以对比出各方案的优 劣.因此按照前面所取的j种工况对四种方案分 别进行瞬态响应失效因子分析.分析结果如表2. 表2各种方案瞬态响应失效因子 类型取样点瞬态响应失效因子 方案1方案2方案3方案4 王金杰:摩托车消音器的优化设计 图8,图9,图10是方案2计算结果图. 图871Hz(8500dmin)时的计算结果 图966.67Hz(8000r/min)时的计算结果 图1062.5Hz(7500r/min)时的计算结果 通过分析计算结果可知,方案2是有效的,失 效因子最少降低7.2倍多,方案3和方案4的失 效因子比原方案大得多,故这两个方案是无效的. 与方案l对比,方案3和方案4只是将消音器体 上的连接板位置远离了消音器质心,但其瞬态响 应失效因子却大很多,而且通过数据我们发现,由 于方案4的连接板位置比方案3的连接板位置离 消音器质心更远,方案4的失效因子比方案3的 失效因子更大.所以我们得结论:消音器上的连 接板位于消音器质心位置有利于降低失效因子. 5定性疲劳分析 根据瞬态响应失效因子分析的结论,方案2 改进是有效的,但实际使用并不是瞬间,因此仅对 一 个薄弱点进行瞬态响应分析是不够的.它还需 要满足一定的使用寿命.故再对方案l和方案2 进行疲劳分析,计算两方案重点部位的疲劳寿命. 5.1方案1的计算结果(见图1l一13) 时的计算结果 图1266.67Hz(8000r/min)时的计算结果 图1362.5Hz(7500r/min)时的计算结果 5.2方案2的计算结果(见图l4,l6) 时的计 2囊熹薯三二l 一 17一 e一,一果 一,一 一 蠢,一一 2010年第5期王金杰农虚装备犄车籀应程化设计 图16 类型 单元号16257单元号44079 从表3可知: 方案2(改进方案1)是有效的,7lHz时单元 号16257的单元疲劳寿命从2.87E+12提高到 1E+36. 一 18一 图17原方案 图18疲劳分析优化方案 从图13和图16中可以看出改进方案1相对 于原方案,A区域的疲劳寿命最小值向B区域发 生了转移,故采取加长消音器内圆管的方法进行 改进,如图l7,18. 6结论 通过前面的分析,我们可以得出以下结论: (1)疲劳分析涉及的因素众多,部件的材料质 量,焊接质量,加工工艺,加工质量以及l丁作时的 工况等因素均会对疲劳寿命产生重大影响.因此, 定量计算是不准确的,但是普遍认为对疲劳寿命 进行定性分析是可靠的.也就是说,分析所得的消 音器的薄弱环节是准确的. (2)在原消音器结构的基础上增加加强板的方 案是解决失效问题的最优方案.同时将安装连接 板置于消音器质心位置可大大降低失效因子值. (3)针对疲劳寿命最小值发生转移问题,采取 将消音器内圆管加长至排气管安装连接板下端位 置,来加强疲劳集中区强度,可避免产生疲劳断裂. 这几个结论的获得.可以有效指导消音器在 设计和安装方面进行改进,解决实际应用中的排 气消音器断裂问题.增加消音器寿命,提高公司产 品竞争力. 参考文献 [1]谭继锦,张代胜,徐建中,王荣贵.两种车身模态试验与分析IJJ农 业装备与车辆工程,2008,(12). 【2]邓芳,刘振兴,扬化林.新型SRV摩托车车架动态特性分析叫 农业装备与车辆工程,2009,(4). f31颜长征,邓兆祥.以摩托车整车为基础的车架振动响应优化设 计.1JI现代制造工程,2008,(1o). 【4]李洪亮,王务林,陈雪琴.摩托车排气消声器数值模拟研究JJJ.摩 托车技术,2005,(12). [5】于开平,周传月,谭惠丰等.Hypermesh从入门到精通[MJ.北京:科 学出版社.2005. [6]傅志方,华宏星等.模态分析理论与应用【M】.上海:上海交通大 学出版社.2000. [7]毛谦得,李振清.机械设计师手册【M】.北京:机械工业出版社, 200l