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1 概述
汽车排气系统的重要部件是消声器，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
图2 原始模型的模态分析结果
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
图4 优化后模型的模态分析结果
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的刚度。消声器最终设计外形如图5所示，其中加强肋板宽度为10mm。
（a）消声器整体外形 （b）消声器内部结构
（c）消声器上外壳 （d）消声器下外壳
图5消声器最终设计
(a) 第一阶振型（636Hz） (b) 第二阶振型（638Hz）
图6 消声器最终设计的模态分析结果
5 结论
本文基于Altair HyperWorks软件的建模及优化功能模块OptiStruct，对某型号消声器外壳进行了形貌优化设计，并在优化结果的基础上根据制造工艺进行了相应的修改。对优化后的消声器模型进行模态分析表明，其一阶固有频率已经达到客户要求，取得了很好的效果。
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