有限元分析优化：排气伸缩接头研发时间缩减策略

美国BOA专门设计和生产用于汽车和工业应用的薄壁弹性金属部件和系统。为满足汽车原始设备制造商（OEMs）的要求，公司经常创造新设计。设置弹性接头的阻尼特征和刚度，以使车辆的噪音、振动和声振粗糙度（NVH）特性最优化。过去，美国BOA使用工程公式研发设计草案，然后在6自由度（DOF）内构建物理模型并测试模型的特性和耐久性，然后再调整设计，这需要花费大约五周时间。

公司已经使用了新方法，他们在新方法中使用MSC SimXpert软件。公司使用MSC SimXpert软件来构建原始理念设计，使用MSC Nastran来模拟波纹管设计的能力，以减弱发动机运动对其他排气系统产生的振动。然后对波纹管执行更详细的非线性分析，来量化它的载荷和耐久性并确定其共振频率。新方法减少了50%的设计和研发时间，使所需时间降至2-3周，同时大大降低了原型设计和实物验证6DOF模型的成本。

草拟设计挑战

BOA倡导多层波纹管设计，这种设计可吸收发动机及压缩器管道系统的热膨胀和振动。

多层波纹管是多层薄不锈钢铺层构成的薄壁真空管。这种管状体经过加氢重整工艺后形成波纹，具有精密公差。薄钢材质的使用以及每一单位长度具有的大量波纹降低了作用在管壁上的偏向力，增加了波纹管的弹性。

根据工作压力，作用在制动器和发动机上的端面力可能会很大。多层波纹管良好的波纹外形和低弹簧力能够降低端面力从而提高了发动机和涡轮增压器效率。薄钢多层波纹外形设计是为了减小压力，使偏向力降低到最小。较小的压力会延长疲劳寿命。

美国BOA创造了满足特殊汽车应用软件要求的自定机械波纹管设计。在众多应用设计中，汽车OEM提供了完整排气系统的设计，美国BOA使波纹管的性能最优化，并减弱了发动机运动对排气系统造成的振动。

OEM还提供了临界发动机频率。目的在于优化波纹管，提供足够的刚性来延长使用寿命，同时具备足够的柔性将发动机和排气系统之间的耦合降到最短，以便获得优良的NVH性能。确保波纹管自身没有任何可能被发动机激励的自然频率也非常重要。

过去，美国BOA工程师基于美国膨胀节制造商协会（EJMA）公式的研发原始设计。“ 使用3D几何和6DOF 载荷，FEA提高了设计精确度和耐久性预期，”美国BOA产品研发工程师Srinivas Gade说，“为此我们通常创建物理模型并执行一系列物理试验。这涉及到建造特殊加氢重整工具，并且经常购买材料。由于成本高和所需时间长，我们通常必须确认满足客户要求的首次设计，而不是探索最优设计。”

转型到基于模拟设计

美国BOA决定使用MSC Nastran软件转型到以模拟为基础的设计流程。“MSC Nastran是最容易使用的、功能强大的非线性求解器，”Gade说。采纳MSC软件工具后，美国BOA开发了新的设计流程，新流程使用软件原型取代硬件原型来提高产品性能，同时节省了时间和经费。

通常，流程起始于客户提供的定义排气系统几何、发动机转动信息的CAD文件以及定义了发动机运动的时间历史数据。发动机隔离器的刚度也经常是由客户提供的数值。客户还提供发动机临界频率以便BOA检查共振状态。

美国BOA正在逐步将SimXpert作为他们的建模工具。“SimXpert最大的优势是提供了一个图形界面的自动化流程开发环境，而无需写任何代码，”Gade说，“我们沟通了端- 对- 端设计流程。例如：我们已经研发了多层波纹管建模模板，工程师只需简单地输入重要的尺寸及参数，例如：直径、长度、材料和属性。我们的新自动化流程显著缩短了原始概念到最优化设计循环执行所需的时间。”

仿真流程的第一部分是通过调整波纹管优化整个排放系统的NVH性能。波纹管越长便能吸收越多的发动机振动。但是延长波纹管会降低波纹管的自然频率，从而增加发动机激励波纹管振动的可能性。美国BOA工程师通常使用MSC Nastran CBUSH单元来建立排气系统模型。CBUSH弹簧与常规梁元素相似，使用单元“i-j”的空间方向矢量确定定义单元朝向所需的局部坐标系。与常规弹簧元素不同，CBUSH元素还有阻尼属性。

美国BOA工程师执行了强度分析，以评估波纹管的应力和应变。此举旨在确保波纹管不在塑性阶段工作。如果压力太高，工程师将改变波纹管的设计以使波纹管吸收更多振动。通常工程师会综合地改变多个参数，例如：波纹半径、纹间距、高度、层厚等等。此流程是着眼于整个排气系统方面优化波纹管。

部件级分析

下一步是部件级分析。如果OEM提供力-频率输入，那么它将被施加到模型上。如果没提供，美国BOA工程师将对整个系统执行固有模态分析。频率响应结果图用于估计了共振和频率峰值。未与发动机工作范围太接近的峰值都是可接受的。

大多数情况下，工程师会接着执行完整的疲劳分析。MSC Nastran解出的静态载荷产生的受力情况，会被输入到疲劳分析软件。“通常，为优化波纹管的频响和疲劳寿命，我们需要循环5至10次，”Gade说，“SimXpert的自动化设计流程大大降低了设计建模和评估性能的时间。在部件级优化波纹管从需要，已一周时间降低至仅需两天。只要完成了部件级分析，我们就制作原型并进入汽车试验场测试。”

部件分析是非线性的，因为波纹管可能由于自我接触导致几何非线性，也有可能超出弹性极限导致材料非线性。保持波纹管在弹性范围工作的目的是，容易预测部件的疲劳寿命。有时，因为没有足够空间容纳部件的增长量，它必须在塑性范围内工作。这种情况下，用实物试验验证仿真结果。到目前为止，在Gade看来，二者的对应关系很好。

美国BOA也使用MSC Nastran仿真加氢重整工艺所用工具的性能。使用有限元分析以确保工具能承受加氢重整过程中的高压。最近，公司使用MSC Nastran来评估用于在液压振动器耐久测试中用于固定零件的夹具。。有限元分析也用来评估可能由共振干扰测试的几种设计方案。“MSC Nastran和SimXpert已经帮我们降低了典型工程投放市场所需时间的50%，同时显著降低了原型设计的成本，”Gade总结说。

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