汽車排氣系統的CAE分析與優化設計

張正華，程利輝，楊書建，劉炳寅

(1.河南交通職業技術學院，河南鄭州 450005；2.鄭州日產汽車有限公司，河南鄭州 450016)

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汽車排氣系統的CAE分析與優化設計

張正華1，程利輝2，楊書建2，劉炳寅2

(1.河南交通職業技術學院，河南鄭州 450005；2.鄭州日產汽車有限公司，河南鄭州 450016)

給出汽車排氣系統對車身振動、車輛噪聲等性能的影響因子，建立某柴油汽車排氣系統的三維模型，并利用該模型用CAE軟件對該汽車排氣系統設計過程中出現的斷裂情況進行模擬，利用有限元法對排氣系統結構進行分析，找出事故原因，并對關鍵結構進行優化，最后通過實車耐久試驗對優化方案進行了驗證。該方法為汽車排氣系統設計過程中CAE工具的應用提供了參考。

汽車排氣系統；斷裂；CAE分析；優化

0　引言

利用CAE工具對汽車進行輔助設計得到了廣泛應用,涵蓋了汽車設計和制造的各個環節,包括汽車的設計校核、整車實體造型、車身的三維設計、汽車零部件的數控加工、整車的振動和疲勞分析、以計算機仿真技術代替實車測試和破壞性碰撞試驗等。

CAE技術在汽車產品優化設計過程中的作用集中體現在以下3個方面：

(1)CAE技術極大地縮短了汽車的設計周期，在建模和分析過程中采用實體造型和參數化，為模型和參數的修改提供了便利，最終大大縮短了確定合理結構參數所需的時間。

(2)節省開發成本。在汽車設計過程中，使用CAE工具對整車及相關零部件的各種性能進行分析的費用遠遠低于道路實車試驗和室內臺架試驗所需的費用。

(3)采用CAE軟件對整車和零部件進行優化，有利于開發出性能更為優越的汽車和零部件。當然，從實際應用的情況來說，要想充分發揮CAE的作用，需要依賴于兩個重要條件：一是需要熟練掌握CAE技術；另一個是要提供最基本的實驗數據和相關數據庫。這里所指的基本實驗數據，是指道路特性數據、各種材料的力學特性等。所謂相關數據庫是指企業在產品設計和開發過程中不斷積累的、能夠提供結構形式和主要參數的數據庫。

1　排氣系統結構分析

汽車排氣系統是指收集并且排放廢氣的系統。排氣系統一般由排氣歧管、排氣管、催化轉換器、排氣溫度傳感器、汽車消聲器和排氣尾管等組成。汽車排氣系統主要是排放發動機工作所排出的廢氣，同時使排出的廢氣污染物減少、噪聲減小。

某項目柴油汽車排氣系統的最初設計模型如圖1所示。

車輛在耐久試驗過程中出現了后級催化器后法蘭斷裂的情況，斷裂位置如圖2所示。

分析斷裂原因為系統振動過大造成。而發動機怠速、路面不平度和氣流振動激勵是導致排氣系統振動的主要原因。結合此項目，怠速振動為造成該事故的因素。排氣系統的怠速振動主要是由發動機怠速工況下的往復慣性力激勵產生，其頻率與車輛搭載的發動機氣缸數和怠速轉速有關。

四沖程發動機激振頻率計算公式為：

(1)

其中：n為發動機轉速(r/min)；M為發動機的氣缸數目。

2　排氣系統的CAE分析與優化

2.1排氣系統模型處理

采用5mm的Shell單元對排氣系統的管件和各支架進行網格劃分，各管件間的縫焊采用殼單元進行模擬，管件和接頭間的部分焊縫采用三棱柱單元進行模擬。排氣系統中的波紋管采用Cbush單元進行模擬。催化器內部的質量按均布的方式添加在相關管件上。此排氣系統有限元模型如圖3所示。

將發動機和變速箱簡化為一個位于其質心處的質量點，發動機和變速箱的懸置裝置采用CBUSH單元進行模擬。催化器開裂位置和對發動機的模擬如圖4所示。

2.2部分有限元模型的材料特性

排氣系統中管件材料為SUH441，三元催化器殼體材料為SUH409L,橡膠材料件為丁苯橡膠，材料屬性見表1。其他鋼質材料力學參數按常用值選取。

表1部分組件材料屬性

2.3分析工況

計算工況共3種，詳細參數如表2所示。

表2　計算工況

2.4分析結果

兩級催化器與發動機和變速箱的連接有3個位置，如圖5所示。

位置1和2為硬連接，位置3為軟連接。下面分別分析位置3為軟連接和硬連接時的應力結果。位置3采用軟連接的計算結果如表3所示，位置3采用硬連接的計算結果如表4所示。

對以上兩種連接形式進行比較，結果如表5所示。

表3　位置3采用軟連接的計算結果

表4　位置3采用硬連接的計算結果

表5　位置3采用不同連接形式的應力比較

通過以上對比發現：

(1)當位置3采用硬連接時，3種工況下排氣系統的最大應力雖比采用軟連接升高，但最大值108MPa小于125MPa(認為催化器高溫條件下，材料屈服強度下降到常溫下的50%，250×50%=125MPa)，滿足使用要求;

(2)后級催化器后端(即耐久試驗中斷裂處)位置3采用硬連接時比軟連接時的應力下降30%以上，采用硬連接比較合適。

將位置3改為硬連接后進行實車耐久試驗，沒有出現斷裂情況，說明此結構滿足使用要求。

3　結論

排氣系統是整車振動的最敏感區域，尤其對于柴油發動機的車型，因此在設計前期應該重點考慮其結構形式，慎重選擇排氣系統吊掛點及其吊掛形式，利用CAE工具對排氣系統進行分析和校核，可避免在設計凍結后排氣系統出現問題，節約了汽車的設計制造成本,避免了后期的質量問題。

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OptimizationofAutomotiveExhaustSystembyCAE

ZHANGZhenghua1,CHENGLihui2,YANGShujian2,LIUBingyin2

(1.HenanVocationalandTechnicalCollegeofCommunications,ZhengzhouHenan450005,China;2.ZhengzhouNissanMotorCo.,ZhengzhouHenan450016,China)

Automotiveexhaustsystemhasanimportantimpactonbodyvibration,vehiclenoiseandsoon,andCAEhasauniqueadvantageinthedesignofautomitiveexhaustsystem.Inthiscase,adieselcarexhaustsystemfractured,thefiniteelementmethodwasusedtostudythestructureoftheexhaustsystem;thecauseoftheaccidentwasidentified,andthekeystructurewasoptimized;finallybyrealvehicledurabilitytest,thesolutionwasverifiedwhichcansolvetheproblemofexhaustpipefracture.ThesolutionprovidesareferencefortheuseofCAEinthedesignofautomotiveexhaustsystem.

Automotiveexhaustsystem;Fracture;CAEanalysis;Optimization

2016-05-10

張正華(1982—)，碩士研究生，講師，研究方向為機械制造及其自動化。E-mail：57308965@qq.com。

U463;U464.134+.4

A

1674-1986(2016)07-047-04