汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化設(shè)計方法研究

劉鵬 劉項來 徐偉

摘要：利用CAE工具對汽車進(jìn)行輔助設(shè)計得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋了汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)，包括汽車的設(shè)計校核、整車實體造型、車身的三維設(shè)計、汽車零部件的數(shù)控加工、整車的振動和疲勞分析、以計算機(jī)仿真技術(shù)代替實車測試和破壞性碰撞試驗等。本文在此基礎(chǔ)上主要分析了汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化設(shè)計方法，僅供參考。

關(guān)鍵詞：汽車排氣系統(tǒng)；CAE分析；優(yōu)化設(shè)計方法

1引言

汽車在日常運行過程中，發(fā)動機(jī)會對汽車排氣系統(tǒng)定期作用激振力，并且行駛路面的不平穩(wěn)也會對汽車排氣系統(tǒng)造成振動，進(jìn)而對汽車排氣系統(tǒng)的可靠性能和使用壽命造成一定的不良影響。系統(tǒng)振動還可使用吊鉤的方式作用于汽車車身，從而影響汽車的NVH性能。現(xiàn)如今，世界相關(guān)專家的研究重點逐漸放在了如何解決汽車排氣系統(tǒng)的振動問題。而CAE工具的使用可有效輔助汽車產(chǎn)品的設(shè)計工作，包含汽車研發(fā)過程中的設(shè)計校核、三維設(shè)計、整車造型以及零件加工等方面，可為實際的汽車研發(fā)工作提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

2汽車排氣系統(tǒng)分析

汽車排氣系統(tǒng)是指收集并且排放廢氣的系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)一般由排氣歧管、排氣管、催化轉(zhuǎn)換器、排氣溫度傳感器、汽車消聲器和排氣尾管等組成。汽車排氣系統(tǒng)的主要作用是排出發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的廢氣，減小廢氣污染，降低噪音輻射，降低發(fā)動機(jī)工作振動向車身的的傳遞，提高乘坐舒適性等。汽車排氣系統(tǒng)主要用于輕型車、微型車、客車及摩托車等機(jī)動車輛。排氣系統(tǒng)的外觀雖然比較簡單，但在研發(fā)過程中需要考慮排氣系統(tǒng)中的管徑大小、管道長度、消聲器的大小以及汽車底盤布置，同時還應(yīng)充分考慮汽車排氣系統(tǒng)中氣體的流動性，避免出現(xiàn)相鄰氣缸排氣時兩者氣流相互影響的現(xiàn)象。在排氣總管中，將安裝電噴發(fā)動機(jī)的氧傳感器，它會受汽車排氣中氧分子的影響，并將其反饋至電控單元，迸入發(fā)動機(jī)內(nèi)的混合氣體比例。

3分析CAE技術(shù)在汽車優(yōu)化設(shè)計過程中的作用

目前CAE在汽車的開發(fā)過程中應(yīng)用非常廣泛，其為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供很重要的技術(shù)保障，同時也給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在汽車發(fā)展歷史上，為汽車企業(yè)帶來巨大的回報，至今還沒有其它技術(shù)能與CAE技術(shù)相比并論。CAE分析技術(shù)可以應(yīng)用在汽車上每一個部件，其主要包括以下3大關(guān)鍵部分：（1）整車：該部分通常包括運動學(xué)、動力學(xué)仿真、車輛行駛的平順性、舒適性和通過性分析。這要由整車的虛擬樣機(jī)來確定出整車參數(shù)。通常要確定的主要整車參數(shù)有：行駛性、操縱穩(wěn)定性、振動、噪聲和舒適性；輪胎、懸架的配備；車身的動靜剛度、強(qiáng)度、壽命評價和車身固有頻率；主動安全性與被動安全性水平等。（2）大總成或者大的子系統(tǒng)：汽車通常劃分為4大系統(tǒng)：車身、底盤、發(fā)動機(jī)和電子電器系統(tǒng)。整車分析確定的參數(shù)，分解到各個總成后，需要對各總成進(jìn)行CAE分析，以確定這些參數(shù)可以在各總成實現(xiàn)。（3）零部件和小總成：這部分主要是對零部件（子總成）做CAE分析，如車門、車門密封條、發(fā)動機(jī)缸體、懸架、面板、進(jìn)排氣系統(tǒng)、輪胎和輪轂等，以確定它們的物理特性是否符合總體設(shè)計要求，或者優(yōu)化以進(jìn)一步改進(jìn)初始設(shè)計。

4汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化設(shè)計方式

4.1系統(tǒng)疲勞耐久性分析

汽車排氣系統(tǒng)的疲勞耐久性是指汽車排氣系統(tǒng)承受各種破壞方式的承受力，包含熱疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞。排氣系統(tǒng)中，對耐久性影響最大的因素是結(jié)構(gòu)疲勞，它與汽車排氣系統(tǒng)材料、安裝方式、固定方法和自身結(jié)構(gòu)等因素聯(lián)系較為密切。在汽車排氣系統(tǒng)中，在系統(tǒng)前排使用排氣歧管，與發(fā)動機(jī)連接，在另一端使用掛鉤和車體進(jìn)行連接，在設(shè)計工作中，應(yīng)確定掛鉤的位置，并且不能隨意修改其位置。在優(yōu)化過程中，要想有效提升其排氣系統(tǒng)的耐久性，就應(yīng)注重排氣系統(tǒng)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。應(yīng)研究某一車型的排氣系統(tǒng)CAD模型，構(gòu)建汽車排氣系統(tǒng)的應(yīng)力分析模型，對其進(jìn)行結(jié)果分析，使用Goodman平均應(yīng)力修正法將其傳至MSC.Fatigue分析軟件中，對汽車排氣系統(tǒng)的壽命和疲勞值進(jìn)行有效分析，得到數(shù)云圖，可直觀觀察汽車排氣系統(tǒng)中有限元模型上各個節(jié)點的疲勞與壽命數(shù)據(jù)。由此找到應(yīng)力較大的位置和壽命較短的位置進(jìn)行有效對應(yīng)，其位置一般處于前消聲器段上掛鉤、管焊接處、前消聲器段、后消聲器段連接法蘭處等。分析后可得知實際壽命與設(shè)計壽命的差距，并對排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，確保其更加堅固耐用。

4.2有限元模型和汽車排氣系統(tǒng)模型的構(gòu)建

排氣系統(tǒng)的組成主要包括了排氣管、氧傳感器、波紋管、法蘭、消聲器以及懸掛組件等。在三維軟件中導(dǎo)出IGES數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)入CAE軟件HyperMesh中，根據(jù)分析計算的特點，在考慮計算效率和計算精度的前提下，對模型進(jìn)行前處理。在幾何清理簡化過程中，遵循不影響分析結(jié)果的原則，比如不考慮氧傳感器，并修復(fù)其安裝孔，忽略消聲器穿孔管上的圓孔特征（與聲場和流場特性相關(guān)）等；網(wǎng)格劃分極具復(fù)雜性，包括單元類型的選取、質(zhì)量參數(shù)的控制、連接方式的模擬等等，在有限元建模過程中的難點有以下幾點：1）薄壁件，如主副消聲器（含隔板）、三元催化器、排氣管管體，使用殼單元PSHELL處理，網(wǎng)格尺寸5mm。2）排氣系統(tǒng)掛鉤、法蘭采用四面體PSOLID單元模擬，網(wǎng)格尺寸3mm。3）螺栓連接、焊縫、點焊等連接采用RBE2剛性單元。4）波紋管兩端采用RBE3連接排氣管、再用六自由度彈簧單元CBUSH連接兩端進(jìn)行等效模擬，設(shè)置6個方向的剛度值；彈簧單元的質(zhì)量用質(zhì)量單元Mass分兩部分分別加在其波紋管兩端頭部（排氣管的中心），每部分質(zhì)量為波紋管總質(zhì)量的一半。5）在動力總成的建模中，發(fā)動機(jī)作為剛體進(jìn)行處理，以附帶慣性屬性的質(zhì)量單元Mass進(jìn)行模擬。用彈簧CBUSH模擬發(fā)動機(jī)的懸掛（隔振器）并設(shè)置相應(yīng)的剛度值；其中質(zhì)心位置與法蘭連接位置、懸掛位置通過剛性單元進(jìn)行連接。6）排氣系統(tǒng)懸掛簡化為六自由度彈簧單元CBUSH（含阻尼），給定剛度和阻尼值。最終的排氣系統(tǒng)有限元模型如圖1所示，共計92018個單元，65114個節(jié)點；其中tetra4體單元37842個，tria3三角形單元924個，quad4四邊形單元51479個，連接單元共1773個.排氣系統(tǒng)的屬性參數(shù)主要包括材料和尺寸，尺寸參數(shù)通過CAD在原始三維模型中進(jìn)行測量，根據(jù)有限元建模原則，主要測量薄壁件（如消聲器筒體、管道等）的厚度尺寸。模態(tài)分析是研發(fā)階段必不可少的部分，而且也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，包括計算機(jī)仿真法和實驗室試驗法，然后再采用模態(tài)判定準(zhǔn)則（MAC），其主要目的之一便是驗證排氣系統(tǒng)的有限元模型的合理性和可行性。合理而精確的有限元模型反映了力學(xué)模型與實際結(jié)構(gòu)的等效情況，是保障計算結(jié)果可信度的基礎(chǔ)。

5結(jié)束語

排氣系統(tǒng)是汽車振動中最為敏感的位置，對于使用柴油發(fā)動機(jī)的汽車車型，應(yīng)在設(shè)計工作中注重結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)計。應(yīng)在校核與分析工作中使用CAE分析，降低汽車的研發(fā)成本，防止排氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，提高汽車的使用質(zhì)量

參考文獻(xiàn)

[1]李繼鋒.汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析及開發(fā)設(shè)計研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

（作者單位：長城汽車股份有限公司技術(shù)中心）