汽车排气系统的CAE分析与优化设计方法研究

刘鹏 刘项来 徐伟

摘要：利用CAE工具对汽车进行辅助设计得到了广泛应用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节，包括汽车的设计校核、整车实体造型、车身的三维设计、汽车零部件的数控加工、整车的振动和疲劳分析、以计算机仿真技术代替实车测试和破坏性碰撞试验等。本文在此基础上主要分析了汽车排气系统的CAE分析与优化设计方法，仅供参考。

关键词：汽车排气系统；CAE分析；优化设计方法

1引言

汽车在日常运行过程中，发动机会对汽车排气系统定期作用激振力，并且行驶路面的不平稳也会对汽车排气系统造成振动，进而对汽车排气系统的可靠性能和使用寿命造成一定的不良影响。系统振动还可使用吊钩的方式作用于汽车车身，从而影响汽车的NVH性能。现如今，世界相关专家的研究重点逐渐放在了如何解决汽车排气系统的振动问题。而CAE工具的使用可有效辅助汽车产品的设计工作，包含汽车研发过程中的设计校核、三维设计、整车造型以及零件加工等方面，可为实际的汽车研发工作提供相应的数据和经验。

2汽车排气系统分析

汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，排气系统一般由排气歧管、排气管、催化转换器、排气温度传感器、汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统的主要作用是排出发动机工作时产生的废气，减小废气污染，降低噪音辐射，降低发动机工作振动向车身的的传递，提高乘坐舒适性等。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车、客车及摩托车等机动车辆。排气系统的外观虽然比较简单，但在研发过程中需要考虑排气系统中的管径大小、管道长度、消声器的大小以及汽车底盘布置，同时还应充分考虑汽车排气系统中气体的流动性，避免出现相邻气缸排气时两者气流相互影响的现象。在排气总管中，将安装电喷发动机的氧传感器，它会受汽车排气中氧分子的影响，并将其反馈至电控单元，迸入发动机内的混合气体比例。

3分析CAE技术在汽车优化设计过程中的作用

目前CAE在汽车的开发过程中应用非常广泛，其为汽车行业的高速发展提供很重要的技术保障，同时也给企业带来巨大的经济效益。在汽车发展历史上，为汽车企业带来巨大的回报，至今还没有其它技术能与CAE技术相比并论。CAE分析技术可以应用在汽车上每一个部件，其主要包括以下3大关键部分：（1）整车：该部分通常包括运动学、动力学仿真、车辆行驶的平顺性、舒适性和通过性分析。这要由整车的虚拟样机来确定出整车参数。通常要确定的主要整车参数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性；轮胎、悬架的配备；车身的动静刚度、强度、寿命评价和车身固有频率；主动安全性与被动安全性水平等。（2）大总成或者大的子系统：汽车通常划分为4大系统：车身、底盘、发动机和电子电器系统。整车分析确定的参数，分解到各个总成后，需要对各总成进行CAE分析，以确定这些参数可以在各总成实现。（3）零部件和小总成：这部分主要是对零部件（子总成）做CAE分析，如车门、车门密封条、发动机缸体、悬架、面板、进排气系统、轮胎和轮毂等，以确定它们的物理特性是否符合总体设计要求，或者优化以进一步改进初始设计。

4汽车排气系统的CAE分析与优化设计方式

4.1系统疲劳耐久性分析

汽车排气系统的疲劳耐久性是指汽车排气系统承受各种破坏方式的承受力，包含热疲劳和结构疲劳。排气系统中，对耐久性影响最大的因素是结构疲劳，它与汽车排气系统材料、安装方式、固定方法和自身结构等因素联系较为密切。在汽车排气系统中，在系统前排使用排气歧管，与发动机连接，在另一端使用挂钩和车体进行连接，在设计工作中，应确定挂钩的位置，并且不能随意修改其位置。在优化过程中，要想有效提升其排气系统的耐久性，就应注重排气系统相关材料和结构设计工作。应研究某一车型的排气系统CAD模型，构建汽车排气系统的应力分析模型，对其进行结果分析，使用Goodman平均应力修正法将其传至MSC.Fatigue分析软件中，对汽车排气系统的寿命和疲劳值进行有效分析，得到数云图，可直观观察汽车排气系统中有限元模型上各个节点的疲劳与寿命数据。由此找到应力较大的位置和寿命较短的位置进行有效对应，其位置一般处于前消声器段上挂钩、管焊接处、前消声器段、后消声器段连接法兰处等。分析后可得知實际寿命与设计寿命的差距，并对排气系统结构进行合理优化，确保其更加坚固耐用。

4.2有限元模型和汽车排气系统模型的构建

排气系统的组成主要包括了排气管、氧传感器、波纹管、法兰、消声器以及悬挂组件等。在三维软件中导出IGES数据格式并导入CAE软件HyperMesh中，根据分析计算的特点，在考虑计算效率和计算精度的前提下，对模型进行前处理。在几何清理简化过程中，遵循不影响分析结果的原则，比如不考虑氧传感器，并修复其安装孔，忽略消声器穿孔管上的圆孔特征（与声场和流场特性相关）等；网格划分极具复杂性，包括单元类型的选取、质量参数的控制、连接方式的模拟等等，在有限元建模过程中的难点有以下几点：1）薄壁件，如主副消声器（含隔板）、三元催化器、排气管管体，使用壳单元PSHELL处理，网格尺寸5mm。2）排气系统挂钩、法兰采用四面体PSOLID单元模拟，网格尺寸3mm。3）螺栓连接、焊缝、点焊等连接采用RBE2刚性单元。4）波纹管两端采用RBE3连接排气管、再用六自由度弹簧单元CBUSH连接两端进行等效模拟，设置6个方向的刚度值；弹簧单元的质量用质量单元Mass分两部分分别加在其波纹管两端头部（排气管的中心），每部分质量为波纹管总质量的一半。5）在动力总成的建模中，发动机作为刚体进行处理，以附带惯性属性的质量单元Mass进行模拟。用弹簧CBUSH模拟发动机的悬挂（隔振器）并设置相应的刚度值；其中质心位置与法兰连接位置、悬挂位置通过刚性单元进行连接。6）排气系统悬挂简化为六自由度弹簧单元CBUSH（含阻尼），给定刚度和阻尼值。最终的排气系统有限元模型如图1所示，共计92018个单元，65114个节点；其中tetra4体单元37842个，tria3三角形单元924个，quad4四边形单元51479个，连接单元共1773个.排气系统的属性参数主要包括材料和尺寸，尺寸参数通过CAD在原始三维模型中进行测量，根据有限元建模原则，主要测量薄壁件（如消声器筒体、管道等）的厚度尺寸。模态分析是研发阶段必不可少的部分，而且也是其他动力学分析的基础，包括计算机仿真法和实验室试验法，然后再采用模态判定准则（MAC），其主要目的之一便是验证排气系统的有限元模型的合理性和可行性。合理而精确的有限元模型反映了力学模型与实际结构的等效情况，是保障计算结果可信度的基础。

5结束语

排气系统是汽车振动中最为敏感的位置，对于使用柴油发动机的汽车车型，应在设计工作中注重结构状态的设计。应在校核与分析工作中使用CAE分析，降低汽车的研发成本，防止排气系统出现故障，提高汽车的使用质量

参考文献

[1]李继锋.汽车排气系统的CAE分析及开发设计研究[D].合肥工业大学，2010.

（作者单位：长城汽车股份有限公司技术中心）