자동차 배기 시스템의 빠른 진동 해석

차량 배기 시스템의 기계적 진동은 차량 내부 소음 및 구조 내구성 문제를 유발할 수 있습니다. 새로운 배기 시스템을 평가하는 데 소요되는 시간을 줄이기 위해 영국 Warton에 위치한 Arvin Exhaust R&D는 FEA Ltd의 컨설팅 부서에 LUSAS Analyst의 확장으로 Arvin Modal Analysis Program (AMAP)을 제작하도록 의뢰하였습니다. AMAP을 사용함으로써 제안된 새로운 배기 시스템의 진동 거동을 수동 모델링이나 이전의 자동화된 방법보다 빠르게 평가할 수 있으며, 인력을 약 50% 줄일 수 있습니다.

동역학 모델링은 복잡한 하위 어셈블리의 매우 이상화된 표현을 요구하므로 구성 요소 수준 해석에 사용되는 접근 방식과는 다른 접근 방식이 필요합니다. 따라서 전체 3D CAD 모델을 직접 전달하는 것은 유용하지 않습니다. 대신 AMAP은 모델 생성 및 검증, 해석 설정 및 후처리를 위한 엄격한 프레임워크를 제공하는 부분적으로 자동화된 ‘상향식’ 접근 방식을 채택합니다. 이는 해석 프로세스에 대한 규율과 일관성을 부여합니다. 또한 이 유형의 동적 해석을 위해서는 엔진 및 매니폴드를 포함하여 전체 배기 시스템 어셈블리를 모델링하는 것이 필수적입니다. 이는 동적 자극이 주로 엔진 내의 불균형 하중으로 구성되며, 진동 소스를 모델에 포함해야 강제 진동 응답 계산이 가능하기 때문입니다.

배기 시스템을 모델링하기 위해 모든 파이프 및 머플러 중심선의 좌표가 정의됩니다. 이는 AMAP 내에서 양식을 사용하거나 CADDS V 모델에서 ASCII 파일을 통해 중심선 데이터를 가져와 정의할 수 있습니다. 완료되면 배관 또는 머플러를 구성하는 중심선의 개별 섹션이 그래픽적으로 선택되며, AMAP이 튜브의 직경, 두께 및 굽힘 반경을 입력할 수 있는 양식을 제공합니다.

머플러 박스는 배관과 유사하게 배치됩니다. 이 구성 요소는 매우 복잡한 내부 구조를 가질 수 있으며, 구성은 애플리케이션별로 다르며, 배플, 튜브, 엔드 플레이트 및 외함 사이의 구조적 연결 정도는 “락 심” 또는 “클램쉘” 구조에 따라 상당히 다르게 변동합니다. 그러나 여전히 AMAP에 의해 여러 가지 유용한 모델링 보조 기능이 제공됩니다. 화면상의 양식을 사용하여 머플러 튜브 또는 배플의 크기, 천공 패턴, 충전 밀도, 엔드 플레이트 세부 정보 등을 정의합니다. 머플러 구성 요소 간의 연결은 스프링을 사용하여 모델링되어 유연하고 관절이 있는 또는 슬라이딩 연결을 정의할 수 있습니다. 이 스프링의 정의는 머플러 구성 요소를 화면에서 분리하여 스프링을 그래픽적으로 삽입할 수 있는 매우 유용한 “폭발도” 기능이 제공되어 지원됩니다. AMAP은 디자이너가 입력한 데이터를 기반으로 모델에 모든 질량 및 강성 특성 데이터를 자동으로 정의하고 할당합니다. ‘트레이스 라인’이라는 또 다른 유용한 기능은 “쉘 모델”을 사용하는 경우 대비 “와이어 프레임”의 머플러 및 변환기 박스의 윤곽을 표시합니다.

배관 및 머플러 외에도, 촉매 변환기, 배기 매니폴드 및 엔진/변속기 조립체의 강체 질량 표현을 포함한 유연한 마운트 및 배기 시스템 걸쇠를 개별적으로 정의하고 모델에 추가할 수 있습니다. 횡장착된 엔진에서 엔진과 배기 시스템 간의 “힌지”가 “토크 회전” 움직임을 분리하는 데 필요합니다. 일종의 조인트 및 벨로우즈 타입 디커플러는 배기 시스템의 동적 응답에 현저한 영향을 미치므로 신중한 모델링이 필요합니다. 벨로우즈 타입의 연결은 축 방향, 굽힘 및 전단 유연성을 갖춘 빔 요소로 표현되며, 조인트는 스프링 요소로 사용됩니다.

동적 해석 모델에 대해서는 신중한 검사가 특히 중요합니다. 질량 또는 강성의 잘못된 표현은 정적 해석의 유사한 오류보다 동적 응답 예측에 더 큰 영향을 미칠 가능성이 있습니다. AMAP의 개발 과정에서 모델을 확인하는 작업을 지원하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 모델 생성 전반에 걸쳐 AMAP은 속성 데이터의 번호 매기기를 추적 및 제어하므로 모델이 완료되면 속성의 주석이 있는 표를 요청할 수 있습니다. 프로그램은 또한 모델 내의 모든 기능에 할당된 속성을 보여주는 플롯을 생성합니다. 이 표와 플롯은 모델에 대한 완전한 설명을 형성하여 포괄적인 검사를 가능하게 합니다. LUSAS 해석 실행에서 제공하는 추가 검사 데이터는 모델의 총 질량 및 질량 중심을 나열합니다. 각 구성 요소에 다른 재료가 할당되므로 개별 머플러 등의 질량을 쉽게 확인할 수 있습니다.

LUSAS는 고유 주파수 해석을 위한 다양한 고유치 해석기를 제공합니다. AMAP은 배기 시스템 모델에 가장 효과적이라고 입증된 해석기를 자동으로 선택합니다. 고유값 해석이 수행되면 AMAP은 주석이 달린 모드 형태의 플롯 세트를 생성합니다. 화면상의 모드 형태 애니메이션도 상호작용 가능한 보기로 생성됩니다. LUSAS 결과 처리 기능에는 이전에 계산된 질량 정규화된 고유 모드를 사용하여 상호작용적인 동적 응답 계산을 위한 도구가 포함되어 있습니다. 이 기능은 AMAP에 의해 호출되어 크리티컬 응답 지점(예: 섀시 부착 지점)의 주파수 응답 함수를 자동으로 생성합니다.

모드 해석의 경우, 분석 모델이 조사 중인 물리적 시스템의 실제 거동을 나타내는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 Arvin Exhaust는 선택된 프로토타입 시스템의 모드 형태와 주파수를 측정하고 추출하기 위해 LMS 모드 테스트 소프트웨어를 사용하여 AMAP/LUSAS 예측과 비교합니다. LUSAS-테스트 상관 프로세스는 LUSAS 결과 처리 기능 내의 LMS-export 기능에 의해 지원되며, 이 기능은 CADA-X 형식의 메쉬 및 모드 형태 데이터를 제공합니다. AMAP에서 사용되는 많은 모델링 기술과 규칙은 LUSAS-테스트 상관 결과로 발전하였으며, 이 과정은 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다.

“우리는 제안된 새로운 배기 시스템의 평가를 이전 방법보다 적어도 두 배 빠르게 수행할 수 있으며, 더 높은 정확성도 달성되고 있습니다.”

Ian Rutherford, CAE 팀 리더, Arvin Exhaust R&D