基于ANSYS Workbench的汽車排氣系統靜力分析

李長玉,章樂一

(華南理工大學廣州學院汽車工程學院，廣東廣州 510800)

基于ANSYS Workbench的汽車排氣系統靜力分析

李長玉,章樂一

(華南理工大學廣州學院汽車工程學院，廣東廣州 510800)

根據排氣系統的實物數據使用CATIA軟件建立合理的簡化幾何模型，保存為ANSYS Workbench能夠識別的格式并將其導入到該軟件中，再經過合理的網格劃分后生成排氣系統的有限元模型，對該模型進行靜力分析。該分析可為排氣系統安裝、吊耳優化提供一定依據。

排氣管；有限元；靜力分析

0 引言

汽車的排氣系統主要由排氣歧管、波紋管、三元催化轉化器、排氣管、主消聲器、副消聲器等組成。其中波紋管起到在汽車車架與排氣管相對運動時減小相對扭曲的作用。三元催化轉化器可使排放的廢氣中一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等轉化為對空氣無污染的物質。消聲器起到消減排出的廢氣噪聲的作用[1]。

汽車排氣系統在汽車使用過程中主要受到發動機振動引起的對排氣系統的作用力、汽車車身顛簸引起的對排氣系統的作用力、排出的廢氣引起的對排氣管的作用力等[2]。在進行排氣系統的設計時，為了使排氣系統能夠適應運行過程的載荷要求，常常要對汽車排氣系統進行靜力分析和動態特性分析[3-4]。

利用三維建模軟件，對某一車輛的排氣系統進行了實體建模，并且將其保存為ANASYS的Workbench模式，在ASNSYS Workbench中對排氣系統進行了網格劃分以及靜力分析。這些分析可為汽車排氣系統的設計提供一定的依據。

1 排氣系統的實體建模

利用CATIA軟件對排氣系統進行實體建模，因為排氣系統結構復雜，在建立幾何模型時為了計算簡單，將對計算結果影響不大的部分進行了簡化，主要集中在以下幾點:

(1)在保證消聲器大體結構不變的情況下，不考慮排氣管系統的翻邊工藝。

(2)氧傳感器安裝孔等位置忽略。

(3)排氣系統的壁厚被設置為定值，以方便網格劃分與計算。

(4)通過CATIA零件設計建模繪制的排氣系統三維幾何模型如圖1所示。

2 排氣系統靜力分析過程

分析可知，排氣系統的約束主要為發動機端的連接約束和各個位置吊耳的約束。排氣系統的載荷主要為其本身重力載荷。

靜力分析需要考慮汽車排氣系統吊耳的安裝位置，所以利用CATIA裝配設計對模型進行吊耳安裝模擬，如圖2所示。

線性靜力分析理論上的求解步驟為：建模(導入)、施加載荷和邊界條件、求解、結果評價和分析。導入前先將模擬裝配的模型另存為IGS格式，同時啟動ANSYS Workbench中的靜力分析模塊，導入模型,定義材料屬性，對模型劃分網格，可得到有限元模型如圖3所示。

3 排氣系統靜力分析結果

求解完成后，就可以利用ANSYS軟件生成的結果文件(對于靜力分析，就是jobname.RST)進行后處理。靜力分析中通常通過POST1后處理器就可以處理和顯示大多數感興趣的結果數據。在此僅對求解結果進行簡單分析，并作為懸掛點優化的依據。圖4、圖5表述了靜力分析的結果。

由排氣系統靜力分析的變形圖中可以看出：在重力作用下排氣系統整體變形量不大，說明各懸掛點布置基本合理；就各零部件孤立分析，最大位移點產生在副消聲器后的三號管前段，說明吊耳4的位置需要進一步強化。

由排氣系統靜力分析的等效應變圖及等效應力圖可知：從整體方面分析，各吊耳應力較為平均，等效應變中的變形量也差異不大，最大等效應變及最大等效應力點均產生在副消聲器前的吊耳3的位置，最小點均位于主消聲器中前的位置上。考慮到主消聲器、副消聲器自身的重力問題，所以3～6號吊耳的等效應力、等效應變應略大于1號及2號的吊耳。所以由等效應變圖及等效應力圖可知，圖中假設的吊耳分布合理，基本滿足靜力載荷下的設計要求。

4 結論

利用CATIA軟件對某汽車排氣系統進行了實體建模，并且利用有限元分析軟件對其在重力載荷下各吊耳靜力情況進行了分析。該分析對汽車排氣系統吊耳位置的選擇以及排氣系統的設計具有一定的指導意義。

【1】鮑恩濤.汽車排氣系統動態特性研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

【2】唐文初，鄧寶清.汽車構造[M].廣州：華南理工大學出版社，2010.

【3】萬茂林，張光慧，楊超云.汽車排氣系統的模態分析[J].汽車工程師，2011(9):48-50.

【4】邢素芳，王現榮.發動機排氣系統振動分析[J].河北工業大學學報，2005,34(5):109-111.

Static Analysis of Automobile Exhaust System Based on ANSYS Workbench

LI Changyu, ZHANG Leyi
(School of Automotive Engineering, Guangzhou College, South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510800,China)

According to the physical data of exhaust system, CATIA software was used to establish a reasonable simplified geometric model which was saved for the format of the ANSYS Workbench could recognize.The model was imported into the software, after a reasonable meshing process, the finite element model of the exhaust system was generated. Then static analysis for the model was made.The research can provide some basis for exhaust system installation and optimization.

Exhaust system; FEM; Static analysis

2016-04-08

廣東省質量工程項目(51-SC150201)；華南理工大學廣州學院青年科研基金項目(XQ114016)

李長玉(1981—)，男，博士研究生，講師，研究方向為汽車振動與噪聲控制。E-mail：644968790@qq.com。

U463.6

A

1674-1986(2016)06-053-02