汽車排氣系統的CAE分析與優化設計方法研究

劉鵬 劉項來 徐偉

摘要：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。本文在此基礎上主要分析了汽車排氣系統的CAE分析與優化設計方法，僅供參考。

關鍵詞：汽車排氣系統;CAE分析;優化設計方法

1引言

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，并且行駛路面的不平穩也會對汽車排氣系統造成振動，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。系統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。現如今，世界相關專家的研究重點逐漸放在了如何解決汽車排氣系統的振動問題。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。

2汽車排氣系統分析

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。汽車排氣系統的主要作用是排出發動機工作時產生的廢氣，減小廢氣污染，降低噪音輻射，降低發動機工作振動向車身的的傳遞，提高乘坐舒適性等。汽車排氣系統主要用于輕型車、微型車、客車及摩托車等機動車輛。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。

3分析CAE技術在汽車優化設計過程中的作用

目前CAE在汽車的開發過程中應用非常廣泛，其為汽車行業的高速發展提供很重要的技術保障，同時也給企業帶來巨大的經濟效益。在汽車發展歷史上，為汽車企業帶來巨大的回報，至今還沒有其它技術能與CAE技術相比并論。CAE分析技術可以應用在汽車上每一個部件，其主要包括以下3大關鍵部分：（1）整車：該部分通常包括運動學、動力學仿真、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來確定出整車參數。通常要確定的主要整車參數有：行駛性、操縱穩定性、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：汽車通常劃分為4大系統：車身、底盤、發動機和電子電器系統。整車分析確定的參數，分解到各個總成后，需要對各總成進行CAE分析，以確定這些參數可以在各總成實現。（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、發動機缸體、懸架、面板、進排氣系統、輪胎和輪轂等，以確定它們的物理特性是否符合總體設計要求，或者優化以進一步改進初始設計。

4汽車排氣系統的CAE分析與優化設計方式

4.1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。

4.2有限元模型和汽車排氣系統模型的構建

排氣系統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。在三維軟件中導出IGES數據格式并導入CAE軟件HyperMesh中，根據分析計算的特點，在考慮計算效率和計算精度的前提下，對模型進行前處理。在幾何清理簡化過程中，遵循不影響分析結果的原則，比如不考慮氧傳感器，并修復其安裝孔，忽略消聲器穿孔管上的圓孔特征（與聲場和流場特性相關）等;網格劃分極具復雜性，包括單元類型的選取、質量參數的控制、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，網格尺寸5mm。2）排氣系統掛鉤、法蘭采用四面體PSOLID單元模擬，網格尺寸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連接兩端進行等效模擬，設置6個方向的剛度值;彈簧單元的質量用質量單元Mass分兩部分分別加在其波紋管兩端頭部（排氣管的中心），每部分質量為波紋管總質量的一半。5）在動力總成的建模中，發動機作為剛體進行處理，以附帶慣性屬性的質量單元Mass進行模擬。用彈簧CBUSH模擬發動機的懸掛（隔振器）并設置相應的剛度值;其中質心位置與法蘭連接位置、懸掛位置通過剛性單元進行連接。6）排氣系統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。最終的排氣系統有限元模型如圖1所示，共計92018個單元，65114個節點;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.排氣系統的屬性參數主要包括材料和尺寸，尺寸參數通過CAD在原始三維模型中進行測量，根據有限元建模原則，主要測量薄壁件（如消聲器筒體、管道等）的厚度尺寸。模態分析是研發階段必不可少的部分，而且也是其他動力學分析的基礎，包括計算機仿真法和實驗室試驗法，然后再采用模態判定準則（MAC），其主要目的之一便是驗證排氣系統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模型與實際結構的等效情況，是保障計算結果可信度的基礎。

5結束語

排氣系統是汽車振動中最為敏感的位置，對于使用柴油發動機的汽車車型，應在設計工作中注重結構狀態的設計。應在校核與分析工作中使用CAE分析，降低汽車的研發成本，防止排氣系統出現故障，提高汽車的使用質量

參考文獻

[1]李繼鋒.汽車排氣系統的CAE分析及開發設計研究[D].合肥工業大學，2010.

（作者單位：長城汽車股份有限公司技術中心）