利用SimXpert快速完成多層波紋管的研發

1、面臨的挑戰

美國BOA專門設計和生產用于汽車和工業應用的薄壁彈性金屬部件和系統。為滿足汽車原始設備制造商（OEMs）的要求，公司經常創新設計。

BOA倡導多層波紋管設計，這種設計可吸收發動機及壓縮器管道系統的熱膨脹和振動。多層波紋管是多層薄不銹鋼鋪層構成的薄壁真空管。這種管狀體經過加氫重整工藝后形成波紋，具有精密公差。薄鋼材質的使用以及每一單位長度具有的大量波紋降低了作用在管壁上的偏向力，增加了波紋管的彈性。

根據工作壓力，作用在制動器和發動機上的端面力可能會很大。多層波紋管良好的波紋外形和低彈簧力能夠降低端面力從而提高了發動機和渦輪增壓器效率。薄鋼多層波紋外形設計是為了減小壓力，使偏向力降低到最小。較小的壓力會延長疲勞壽命。

美國BOA創造了滿足特殊汽車應用軟件要求的自定機械波紋管設計。在眾多應用設計中，汽車OEM提供了完整排氣系統的設計，美國BOA使波紋管的性能最優化，并減弱了發動機運動對排氣系統造成的振動。

OEM還提供了臨界發動機頻率。目的在于優化波紋管，提供足夠的剛性來延長使用壽命，并具備足夠的柔性從而將發動機和排氣系統之間的耦合降到最低，以便獲得優良的NVH性能。同時確保波紋管自身沒有任何可能被發動機激勵的自然頻率也非常重要。

過去，美國BOA工程師基于美國膨脹節制造商協會（Expansion Joint Manufacturers Association，EJMA）的公式研發原始設計。美國BOA產品研發工程師Srinivas Gade說，“為此我們通常創建物理模型并執行一系列物理試驗。這涉及到建造特殊加氫重整工具，并且經常購買材料。由于成本高和所需時間長，我們通常必須確認滿足客戶要求的首次設計，而不是探索最優設計。”

2、解決方案

2.1.轉型到基于仿真進行設計

美國BOA決定使用MSC Nastran軟件轉型到以仿真為基礎的設計流程。“MSC Nastran是最容易使用的、功能強大的非線性求解器，”Gade說。采納MSC軟件工具后，美國BOA開發了新的設計流程，新流程使用軟件原型取代硬件原型來提高產品性能，同時節省了時間和經費。

美國BOA正在逐步將SimXpert作為他們的建模工具。“SimXpert最大的優勢是提供了一個圖形界面的自動化流程開發環境，而無需寫任何代碼，”Gade說，“我們溝通了端-對-端設計流程。例如：我們已經研發了多層波紋管建模模板，工程師只需簡單地輸入重要的尺寸及參數，例如：直徑、長度、材料和屬性。我們的新自動化流程顯著縮短了原始概念到最優化設計循環執行所需的時間。”

2.2.系統級分析

仿真流程的第一部分是通過調整波紋管優化整個排放系統的NVH性能。波紋管越長便能吸收越多的發動機振動。但是延長波紋管會降低波紋管的自然頻率，從而增加發動機激勵波紋管振動的可能性。美國BOA工程師通常使用MSC Nastran CBUSH單元來建立排氣系統模型。CBUSH彈簧與常規梁元素相似，使用單元“i-j”的空間方向矢量確定定義單元朝向所需的局部坐標系。與常規彈簧元素不同，CBUSH單元還有阻尼屬性。美國BOA工程師執行了強度分析，以評估波紋管的應力和應變。此舉旨在確保波紋管不在塑性階段工作。如果壓力太高，工程師將改變波紋管的設計以使波紋管吸收更多振動。通常工程師會綜合地改變多個參數，例如：波紋半徑、紋間距、高度、層厚等等。此流程是著眼于整個排氣系統方面優化波紋管。

2.3部件級分析

下一步是部件級分析。如果OEM提供力-頻率輸入，那么它將被施加到模型上。如果沒提供，美國BOA工程師將對整個系統執行固有模態分析。頻率響應結果圖用于估計了共振和頻率峰值。未與發動機工作范圍太接近的峰值都是可接受的。大多數情況下，工程師會接著執行完整的疲勞分析。MSC Nastran解出的靜態載荷產生的受力情況，會被輸入到疲勞分析軟件。“通常，為了優化波紋管的頻響和疲勞壽命，我們需要循環5至10次，”Gade說，“SimXpert的自動化設計流程大大降低了設計建模和評估性能的時間。在部件級優化波紋管從需要，已一周時間降低至僅需兩天。只要完成了部件級分析，我們就制作原型并進入汽車試驗場測試。”

部件分析是非線性的，因為波紋管可能由于自我接觸導致幾何非線性，也有可能超出彈性極限導致材料非線性。保持波紋管在彈性范圍工作的目的是，容易預測部件的疲勞壽命。有時，因為沒有足夠空間容納部件的增長量，它必須在塑性范圍內工作。這種情況下，用實物試驗驗證仿真結果。到目前為止，在Gade看來，二者的對應關系很好。

3、收益

“MSC Nastran和SimXpert已經幫我們降低了典型工程投放市場所需時間的50%，同時顯著降低了原型設計的成本，”Gade總結說。