汽車排氣系統的CAE分析與優化設計

唐明

摘 ?要：針對汽車排氣系統對車身噪音和振動方面的影響因素進行綜合分析，構建汽車排氣系統的三維結構模型，使用CAE軟件模擬設計汽車排氣系統中發生的斷裂現象，并使用有限元法分析汽車排氣系統的結構，對事故原因進行有效分析并解決，完善優化關鍵結構設計，使用試驗車輛耐久性的方式驗證其優化方案的可行性。

關鍵詞：汽車排氣系統;CAE分析;優化設計

汽車的主要振動方式是其排氣系統，汽車在日常運行過程中，發動機會對汽車排氣系統定期作用激振力，進而對汽車排氣系統的可靠性能和使用壽命造成一定的不良影響。而CAE工具的使用可有效輔助汽車產品的設計工作，包含汽車研發過程中的設計校核、三維設計、整車造型以及零件加工等方面，可為實際的汽車研發工作提供相應的數據和經驗。

1 CAE技術的實際作用和汽車排氣系統概述

1.1 CAE技術的實際作用

汽車排氣與排氣系統內的各個零件分析工作、計算工作、設計工作具有十分密切的聯系，使用CAE技術能全面反映排氣系統中的所有特性，從而選取與發動機更為匹配的排氣系統產品。使用的CAE技術具有以下幾方面實際作用：

首先，在汽車研發過程中使用CAE技術可有效降低其設計周期，并在汽車建模和分析工作中使用參數化造型和實體造型，極大便利了參數和模型的修改過程，從而進一步降低確定合理結構參數所需要的工作時間。其次，可有效降低汽車研發成本。在汽車研發過程中，使用CAE工具可有效分析汽車中相應零部件的功能，研發費用相較于室內試驗和道路實際試驗要低很多。最后，在汽車研發過程中使用CAE軟件，可對汽車中的零件進行有效優化，從而為用戶研發出性能更為出色的零件和汽車產品。在使用CAE工具前，應注意以下兩方面內容：第一，應熟練掌握CAE技術的使用方式。第二，應提供基本的數據庫和相關實驗數據。相關實驗數據是指各項材料的特性和道路特性等數據。數據庫應包含汽車企業在進行汽車研發過程中所積累的數據。目前，在汽車排氣系統CAE分析工作中，邊界條件和模型建立過程中還存在許多問題，其分析準確性會對仿真結果造成一定程度的影響，缺乏相應的驗證。因此，在對排氣系統進行仿真分析時，應全面分析考慮耦合作用的因素，例如：消聲器和發動機的耦合、氣流對排氣系統的沖擊與振動等因素，都有可能對排氣系統造成一定的不良影響，可以對排氣系統開展流固與聲固的耦合分析，做好排氣系統的模擬工作。

1.2汽車排氣系統分析

收集廢氣并將其進行排放的系統是汽車排氣系統。汽車排氣系統包含排氣尾管、排氣歧管、消音器、排氣管、溫度傳感器和催化傳感器等設備。汽車排氣系統的功能是排放發動機運行過程中的廢氣，達到減少廢氣污染、降低噪音的目的。排氣系統的外觀雖然比較簡單，但在研發過程中需要考慮排氣系統中的管徑大小、管道長度、消聲器的大小以及汽車底盤布置，同時還應充分考慮汽車排氣系統中氣體的流動性，避免出現相鄰氣缸排氣時兩者氣流相互影響的現象。在排氣總管中，將安裝電噴發動機的氧傳感器，它會受汽車排氣中氧分子的影響，并將其反饋至電控單元，迸入發動機內的混合氣體比例。

2汽車排氣系統的CAE分析與優化設計方式

2.1系統疲勞耐久性分析

汽車排氣系統的疲勞耐久性是指汽車排氣系統承受各種破壞方式的承受力，包含熱疲勞和結構疲勞。排氣系統中，對耐久性影響最大的因素是結構疲勞，它與汽車排氣系統材料、安裝方式、固定方法和自身結構等因素聯系較為密切。在汽車排氣系統中，在系統前排使用排氣歧管，與發動機連接，在另一端使用掛鉤和車體進行連接，在設計工作中，應確定掛鉤的位置，并且不能隨意修改其位置。在優化過程中，要想有效提升其排氣系統的耐久性，就應注重排氣系統相關材料和結構設計工作。應研究某一車型的排氣系統CAD模型，構建汽車排氣系統的應力分析模型，對其進行結果分析，使用Goodman平均應力修正法將其傳至MSC.Fatigue分析軟件中，對汽車排氣系統的壽命和疲勞值進行有效分析，得到數云圖，可直觀觀察汽車排氣系統中有限元模型上各個節點的疲勞與壽命數據。由此找到應力較大的位置和壽命較短的位置進行有效對應，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計壽命的差距，并對排氣系統結構進行合理優化，確保其更加堅固耐用。

2.2有限元模型和汽車排氣系統模型的構建

在構建有限元模型時，應考慮定位參數、特性參數的具體情況。特性參數包含排氣系統中管體、筒體金屬材料的厚度、發動機的質量、橡膠吊耳縫特性、波紋管剛度和密度等。定位參數包含汽車發動機的排氣系統位置、懸置位置、質心位置等。在構建流場分析網格模型時，流場分析的計算域就是汽車排氣系統中的空腔。在對模型網格進行劃分時，應對汽車排氣系統的內部構造進行科學有效的簡化處理，從而保證模擬結果具有較高的真實性。在劃分混合網格模型時，網格類型包含棱柱形四面體、棱柱形五面體、棱柱形六面體。一些較為簡單的催化器、排氣管部件、波紋管主要使用結構化六面體網格，較為復雜的前消聲器和后消聲器中主要使用非結構化的四面體網格，該方式不僅可有效提高計算效率，還能確保計算精度。在對模型進行劃分時，應對網格質量進行有效控制。

結語：

汽車發生振動時，最先感受到的就是汽車排氣系統，排氣系統作為汽車振動最敏感的部位，對其進行優化設計是很有必要的。針對使用柴油機發動機的汽車，要在設計中重視內部結構的設計，要合理選擇吊掛形式和排氣系統吊掛點，不能進行隨意更改。同時，要積極學習CAE工具的使用方法，將其很好的引入汽車排氣系統的優化設計中，從而有效降低汽車的開發成本，避免排氣系統發生故障，進而提高汽車的使用壽命。

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