汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐明

摘 ?要：針對汽車排氣系統(tǒng)對車身噪音和振動(dòng)方面的影響因素進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建汽車排氣系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)模型，使用CAE軟件模擬設(shè)計(jì)汽車排氣系統(tǒng)中發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，并使用有限元法分析汽車排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對事故原因進(jìn)行有效分析并解決，完善優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用試驗(yàn)車輛耐久性的方式驗(yàn)證其優(yōu)化方案的可行性。

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

汽車的主要振動(dòng)方式是其排氣系統(tǒng)，汽車在日常運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對汽車排氣系統(tǒng)定期作用激振力，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。而CAE工具的使用可有效輔助汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，包含汽車研發(fā)過程中的設(shè)計(jì)校核、三維設(shè)計(jì)、整車造型以及零件加工等方面，可為實(shí)際的汽車研發(fā)工作提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 CAE技術(shù)的實(shí)際作用和汽車排氣系統(tǒng)概述

1.1 CAE技術(shù)的實(shí)際作用

汽車排氣與排氣系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)零件分析工作、計(jì)算工作、設(shè)計(jì)工作具有十分密切的聯(lián)系，使用CAE技術(shù)能全面反映排氣系統(tǒng)中的所有特性，從而選取與發(fā)動(dòng)機(jī)更為匹配的排氣系統(tǒng)產(chǎn)品。使用的CAE技術(shù)具有以下幾方面實(shí)際作用：

首先，在汽車研發(fā)過程中使用CAE技術(shù)可有效降低其設(shè)計(jì)周期，并在汽車建模和分析工作中使用參數(shù)化造型和實(shí)體造型，極大便利了參數(shù)和模型的修改過程，從而進(jìn)一步降低確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需要的工作時(shí)間。其次，可有效降低汽車研發(fā)成本。在汽車研發(fā)過程中，使用CAE工具可有效分析汽車中相應(yīng)零部件的功能，研發(fā)費(fèi)用相較于室內(nèi)試驗(yàn)和道路實(shí)際試驗(yàn)要低很多。最后，在汽車研發(fā)過程中使用CAE軟件，可對汽車中的零件進(jìn)行有效優(yōu)化，從而為用戶研發(fā)出性能更為出色的零件和汽車產(chǎn)品。在使用CAE工具前，應(yīng)注意以下兩方面內(nèi)容：第一，應(yīng)熟練掌握CAE技術(shù)的使用方式。第二，應(yīng)提供基本的數(shù)據(jù)庫和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是指各項(xiàng)材料的特性和道路特性等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含汽車企業(yè)在進(jìn)行汽車研發(fā)過程中所積累的數(shù)據(jù)。目前，在汽車排氣系統(tǒng)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(zhǔn)確性會(huì)對仿真結(jié)果造成一定程度的影響，缺乏相應(yīng)的驗(yàn)證。因此，在對排氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)全面分析考慮耦合作用的因素，例如：消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合、氣流對排氣系統(tǒng)的沖擊與振動(dòng)等因素，都有可能對排氣系統(tǒng)造成一定的不良影響，可以對排氣系統(tǒng)開展流固與聲固的耦合分析，做好排氣系統(tǒng)的模擬工作。

1.2汽車排氣系統(tǒng)分析

收集廢氣并將其進(jìn)行排放的系統(tǒng)是汽車排氣系統(tǒng)。汽車排氣系統(tǒng)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(shè)備。汽車排氣系統(tǒng)的功能是排放發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的廢氣，達(dá)到減少廢氣污染、降低噪音的目的。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(shí)還應(yīng)充分考慮汽車排氣系統(tǒng)中氣體的流動(dòng)性，避免出現(xiàn)相鄰氣缸排氣時(shí)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(dòng)機(jī)的氧傳感器，它會(huì)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(dòng)機(jī)內(nèi)的混合氣體比例。

2汽車排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

2.1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(dòng)機(jī)連接，在另一端使用掛鉤和車體進(jìn)行連接，在設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)際壽命與設(shè)計(jì)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(jiān)固耐用。

2.2有限元模型和汽車排氣系統(tǒng)模型的構(gòu)建

在構(gòu)建有限元模型時(shí)，應(yīng)考慮定位參數(shù)、特性參數(shù)的具體情況。特性參數(shù)包含排氣系統(tǒng)中管體、筒體金屬材料的厚度、發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、橡膠吊耳縫特性、波紋管剛度和密度等。定位參數(shù)包含汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)位置、懸置位置、質(zhì)心位置等。在構(gòu)建流場分析網(wǎng)格模型時(shí)，流場分析的計(jì)算域就是汽車排氣系統(tǒng)中的空腔。在對模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，應(yīng)對汽車排氣系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行科學(xué)有效的簡化處理，從而保證模擬結(jié)果具有較高的真實(shí)性。在劃分混合網(wǎng)格模型時(shí)，網(wǎng)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(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，較為復(fù)雜的前消聲器和后消聲器中主要使用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，該方式不僅可有效提高計(jì)算效率，還能確保計(jì)算精度。在對模型進(jìn)行劃分時(shí)，應(yīng)對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

結(jié)語：

汽車發(fā)生振動(dòng)時(shí)，最先感受到的就是汽車排氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)作為汽車振動(dòng)最敏感的部位，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是很有必要的。針對使用柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，要在設(shè)計(jì)中重視內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要合理選擇吊掛形式和排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)，不能進(jìn)行隨意更改。同時(shí)，要積極學(xué)習(xí)CAE工具的使用方法，將其很好的引入汽車排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，從而有效降低汽車的開發(fā)成本，避免排氣系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)而提高汽車的使用壽命。

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