基于GT-Power的汽車消聲器降背壓優化設計

丁吉民，胡光輝，嚴鑫映，左煒晨，何竹革，張利

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于GT-Power的汽車消聲器降背壓優化設計

丁吉民，胡光輝，嚴鑫映，左煒晨，何竹革，張利

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于GT-Power軟件，對某乘用車消聲器傳遞損失與背壓仿真分析過程做了詳細介紹，得到消聲器傳遞損失曲線與背壓值。在保證消聲性能不下降的前提下，對此消聲器進行降低背壓的優化設計，最后通過試驗驗證仿真分析結果。文章可對汽車消聲器設計起到參考作用。

GT-Power；傳遞損失；排氣背壓；仿真分析

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-140-04

引言

GT-SUITE系列軟件是由美國Gamma Technology公司開發的一款完整的、自成體系的開發平臺，涵蓋發動機本體、驅動系統、熱管理系統、燃油供給系統、曲軸機構、配氣機構、空調系統等車輛各個子系統。主要應用于發動機、動力系統、車輛性能等的設計和分析工作。包括GT-Power、GT-Suite-MP等模塊。GT-Power是GT-SUITE下的發動機性能分析模塊，能有效模擬計算發動機的功率、扭矩、油耗等參數，為發動機的性能優化提供方向，同時也能應用于噪聲分析和消聲元件的設計，可以節省大量的試驗工作，縮短產品開發周期。

本文基于GT-Power軟件對某款乘用車消聲器做了仿真分析，得到消聲器的傳遞損失曲線與背壓值，并在保證消聲性能不下降的前提下（消聲性能以傳遞損失為依據）[1]，對此消聲器進行降低背壓的優化設計，提出幾種優化方案，通過仿真計算找到最優的消聲器優化方案，最后通過試驗驗證仿真分析結果，可以對汽車消聲器的設計起到參考作用。

1、消聲器傳遞損失仿真分析

1.1 排氣系統仿真模型建立

排氣系統仿真模型的建立就是用特定的圖形工具準確描述消聲器的結構，并離散成GT-ise模塊能接受的管子、分支及其連接模型的過程。該模型能加入到GT-Power的仿真模型中用于排氣系統的仿真分析。排氣系統三維模型見圖1。

圖1 排氣系統三維模型Fig.1 3D model of exhaust system

1.1.1 排氣系統HyperMesh處理

該排氣系統模型為三維實體模型，無法直接導入到GEM3D模塊進行模型處理，本文所用的處理方法為先在HyperMesh中提取其相關內表面并進行網格劃分，保存為stl格式的輸出文件[2]，以方便排氣模型在GT-Power的GEM3D模塊進行前處理。圖2為在HyperMesh中處理后的排氣模型局部示意。

圖2 網格劃分后的排氣系統模型Fig.2 Exhaust system after grid division

1.1.2 排氣系統模型GEM處理

打開GT-Suit軟件的GEM3D模塊，選擇處理好的stl排氣系統模型，導入排氣系統模型。對導入的模型進行GEM轉化，并輸入相關參數進行管路與隔板的穿孔以及腔體填棉，分別建立管路、消聲器的GEM模型，根據實物參數建立催化器，并設置相關參數。建立好的二級消聲器GEM模型如圖3。

圖3 二級消聲器GEM模型Fig.3 GEM model of the second stage muffler

設置相關離散參數對GEM模型進行離散。離散后的二級消聲器GTM模型如圖4。

圖4 二級消聲器GTM模型Fig.4 GTM model of the second stage muffler

1.1.3 排氣系統模型GTM處理

打開GT-Suit軟件的GTise模塊，對離散好的管路GTM模型進行排列組合，插入SubAssemblyExternal，導入消聲器模型，建立排氣系統GTM模型[5]，如圖5。

圖5 排氣系統GTM模型Fig.5 GTM model of exhaust system

1.2 排氣系統傳遞損失仿真計算

通過GT-Suit軟件的GTise模塊，刪除排氣歧管部分模型，為排氣系統模型建立聲源與無反射端。為加快計算速度，本模型未擬合發動機模型計算尾管噪聲，而是使用固定帶寬頻譜連續均勻的白噪聲，消聲性能只以傳遞損失為依據。消聲器前后的聲功率之差即為傳遞損失。采用傳感器法，通過四個傳感器間的自相關譜和互相關譜得到聲功率差。建立傳遞損失分析模型[3]，如圖6。

圖6 傳遞損失計算模型Fig.6 Transmission loss calculation model

設置相關參數后開始計算，計算結果如下圖7所示。

圖7 傳遞損失分析結果Fig.7 Analysis result of transmission loss

2、排氣系統背壓仿真計算

通過GT-Suit軟件的GTise模塊，在排氣歧管前分別連接四個EndEnvironment模塊，輸入發動機參數，模擬發動機四個氣缸，建立排氣系統背壓分析模型[4]。背壓分析模型見圖8。

圖8 排氣背壓計算模型Fig.8 Back pressure calculation model

分析結果見圖9，一級催化器前背壓為62kPa。前期此方案排氣系統實測為60.8 kPa，仿真結果誤差約為2%。

圖9 排氣背壓計算結果Fig.9 Analysis result of back pressure

3、消聲器降背壓優化設計

以原狀態消聲器傳遞損失及背壓仿真結果為依據，在不改變消聲器殼體結構的前提下，通過改變消聲器內部管路直徑、改變隔板穿孔、增加中間管路等手段提出了兩種消聲器降背壓優化方案。

原方案見圖3，兩個優化方案見圖10。

圖10 二級消聲器優化方案模型Fig.10 The second stage muffler optimization model

方案一為在原二級消聲器基礎上進氣管加粗至45mm，出氣管加粗為45mm，前后隔板各打兩個直徑20mm圓孔，出氣管縮口取消；方案二在原狀態基礎上增加第三塊穿孔隔板，增加直徑33mm中間管路，改變進出氣管穿孔，第二腔填棉處理，填棉密度110kg/m3。

將優化方案的消聲器模型導入前期建立好的排氣系統背壓及傳遞損失計算模型進行計算，傳遞損失對比見圖11。

圖11 傳遞損失對比Fig.11 Comparison of transmission loss

上圖中可以看出，兩種優化方案與原方案傳遞損失在不同頻率段略有差別，但總體消聲水平相差不大。 背壓仿真結果見表1。

表1 背壓仿真結果Tab.1 Back pressure analysis result

4、優化方案噪聲與背壓實車驗證

由于此次優化目的為降低排氣背壓，方案二的背壓仿真結果更理想，因此選擇方案二制作樣件，做實車噪音與背壓驗證。

原方案與優化方案車內噪聲對比如圖12（圖中“狀態一”為優化方案）。

圖12 車內噪聲總級對比Fig.12 Contrast of interior noise

怠速尾管噪聲對比如圖13。

圖13 怠速尾管噪聲對比Fig.13 Contrast of the noise of the tail pipe in the idle state

由以上測試結果可以看出，在常用轉速區間，優化方案的消聲器車內噪聲略優于原狀態消聲器，高轉速區間二者相當。優化方案怠速尾管噪聲為53.36dB與原方案值51.91dB相當，滿足設計要求。

優化方案與原方案背壓測試結果如圖14，結果對比如表2。

圖14 背壓測試結果Fig.14 Back pressure test result

表2 背壓值分析與測試結果對比Tab.2 Comparison of the results of back pressure value analysis and test

從驗證結果可以看出，利用GT-Power軟件仿真分析選出的優化方案的消聲器傳遞損失及背壓完全滿足設計要求。

5、結論

基于GT-Power軟件對某乘用車消聲器做的仿真分析，得到實踐的驗證，并成功在保證消聲性能不下降的前提下，對此消聲器進行降低背壓的優化設計。依照仿真分析結果選出的優化方案的消聲器傳遞損失及背壓完全滿足設計要求。由此可見，在消聲器的設計過程中，充分利用聲學仿真分析軟件的輔助，可以大大提高工作效率，降低實驗成本，縮短開發周期。本文可對汽車消聲器的設計起到參考作用。

[1]湯海娟等. 基于GT-Power軟件的排氣系統噪聲分析與改進[J].客車技術與研究，2015,6：20-23.

[2]李楚琳等.HyperWorks分析應用實例[M].北京：機械工業出版社,2008.

[3]湯鴻明等.基于GT-Power的消聲器聲學性能分析計算[J].裝備制造技術.2015,11：30-32.

[4]盧元燕. 基于GT-Power分析應用的排氣系統優化[J].制造業信息化.2014,9：120-122.

[5]岳東鵬等.基于GT-Power 的汽車消聲器研究[J].小型內燃機與摩托車.2012,41（6）：30-33.

Optimization Design of Lower Back Pressure of Automobile Muffler Based on GT-Power

Ding Jimin, Hu Guanghui, Yan Xinying, Zuo Weichen, He Zhuge, Zhang Li
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, based on the GT-Power software, a passenger car muffler transmission loss and back pressure simulation process are described in detail, and the transmission loss curve and the back pressure value of the muffler is obtained. Under the premise of ensuring the noise reduction performance is not decreased, the muffler is optimized to reduce the back pressure, and finally the simulation results are verified by experiments. This paper can play a reference role in the design of automotive muffler.

GT-Power; transmission loss; back pressure; simulation analysis

U462.1

A

1671-7988 (2017)02-140-04

丁吉民，（1990—），男，底盤設計工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要從事乘用車進排氣系統的設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.048