基于Nastran的某商用車排氣系統性能仿真研究

喻濤 歐陽路華 陳明亮 黃勤

摘 要：文章采用Nastran和HyperMesh軟件，對某商用車排氣系統進行了CAE強度分析、吊鉤、消聲器筒體、排氣系統整體模態分析、排氣系統流體性能分析，CAE分析結果表明，排氣系統各項性能結果滿足設計目標要求。

關鍵詞：商用車;排氣系統;性能研究

中圖分類號：U464.134+.4 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-152-03

Abstract： In this paper， by using Nastran and HyperMesh software， the CAE strength analysis， hook， muffler cylinder， overall modal analysis of exhaust system and fluid performance analysis of exhaust system of a commercial vehicle are carried out. The results of CAE analysis show that the performance results of exhaust system meet the requirements of design objectives.

Keywords： Commercial vehicle; Exhaust system; Performance study

CLC NO.： U464.134+.4 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-152-03

1 引言

隨著國家城市物流業快速發展，商用車銷量得到迅猛增長，而使用客戶對于整車舒適性、NVH性能要求也越來越高。排氣系統整車的重要組成部分，其主要由催化器轉化器、消聲器、排氣管、吊鉤等零部件組成，該系統發揮著降低噪聲、減少排放污染等作用，其性能優劣直接影響整車NVH性能[1-3]，故研究排氣系統各項性能指標具有重要的經濟和社會意義。

本文采用Nastran和HyperMesh軟件，對某商用車排氣系統進行了CAE強度分析、吊鉤、消聲器筒體、排氣系統整體模態分析、排氣系統流體性能分析，多方面校核了排氣系統性能，以實現設計目標達成。

2 排氣系統CAE強度分析

2.1 排氣系統有限元模型

本文采用Hyperworks和Nastran求解軟件，對某商用車排氣系統進行建模，網格尺寸大小4mm，模型質量為42kg，本體材料為Q235，波紋管剛度參數如表1，橡膠吊耳剛度參數如表2，排氣系統 FEA模型如圖1所示。

2.2 排氣系統CAE強度分析

本文首先對排氣系統進行1g自重分析，以校核吊鉤強度，約束排氣系統固定安裝位置全自由度，計算結果如圖2所示，其中吊鉤A-G所承受的吊掛力匯總如表3所示，滿足目標要求（吊掛力<50N），排氣系統最大下陳位移為4.1mm，其位置位于出氣彎管區域，滿足目標要求（最大位移<5mm）。

本文對排氣系統進行了Z向5g靜力場強度分析，分析結果如圖3所示，最大應力位置為排氣系統的環形焊縫區域，其值為19.3MPa，遠小于材料屈服強度，滿足目標要求。

3 排氣系統CAE模態分析

3.1 吊鉤模態分析

本文對吊鉤A-E進行了約束模態分析，對每個吊鉤都約束了兩端管路，吊鉤模態分析結果如圖4，模態匯總結果如表4，吊鉤模態都滿足目標要求（大于140Hz）。

3.2 消聲器筒體模態分析

本文對消聲器筒體進行了約束模態分析，其結果如圖5所示，前消聲器一階模態頻率為2695Hz，后消聲器一階模態頻率為656Hz，滿足目標要求（>400Hz）。

3.3 排氣系統整體模態分析

本文對排氣系統進行了整體約束模態分析，其結果如圖6，一階垂向彎曲模態為23.9Hz，一階水平彎曲模態為19.3Hz，二階垂向彎曲模態為29.8Hz，二階水平彎曲模態為34.9Hz，滿足設計目標要求（大于15Hz）。

4 排氣系統CAE流體分析

4.1 排氣系統背壓損失分析

本文對排氣系統熱端進行了CFD背壓損失分析，分析結果如圖7所示，在排氣流量700kg/h@800度時，熱端背壓損失為52.2KPa，滿足目標要求（大于49KPa）。

4.2 排氣系統流動性能分析

本文對排氣系統進行了流動性能分析，如圖8，預催載體流動均勻系數為0.98，滿足載體均勻性系數大于0.9的目標要求。

5 結論

本文基于Hyperworks和Nastran軟件，對某商用車排氣系統進行了CAE強度、模態、流體性能CAE分析，CAE分析結果表明，自重工況下，吊鉤力都小于50N，Z向5g工況下，排氣系統最大應力為19.3MPa，遠小于材料屈服強度，吊鉤約束模態、消聲器筒體模態、排氣系統整體模態結果都滿足目標設計要求，CAE流體分析結果表明，排氣系統熱端背壓損失為52.2KPa，大于目標值49KPa，預催載體流動均勻系數為0.98，總體而言，排氣系統CAE驗證了其性能滿足設計目標，且最終路試和臺架試驗驗證通過。

參考文獻

[1] 劉志恩，伍楊民等.某乘用車排氣系統低背壓設計與優化[J].數字制造科學，2019，17（3），167-169.

[2] 陳家瑞.汽車構造[M]北京：機械工業出版社，2009.

[3] 趙鳳啟.某乘用車排氣系統流場的分析研究[D]南京：南京理工大學，2013.