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

張正華，程利輝，楊書(shū)建，劉炳寅

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450005；2.鄭州日產(chǎn)汽車(chē)有限公司，河南鄭州 450016)

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

張正華1，程利輝2，楊書(shū)建2，劉炳寅2

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450005；2.鄭州日產(chǎn)汽車(chē)有限公司，河南鄭州 450016)

給出汽車(chē)排氣系統(tǒng)對(duì)車(chē)身振動(dòng)、車(chē)輛噪聲等性能的影響因子，建立某柴油汽車(chē)排氣系統(tǒng)的三維模型，并利用該模型用CAE軟件對(duì)該汽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂情況進(jìn)行模擬，利用有限元法對(duì)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出事故原因，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后通過(guò)實(shí)車(chē)耐久試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法為汽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中CAE工具的應(yīng)用提供了參考。

汽車(chē)排氣系統(tǒng)；斷裂；CAE分析；優(yōu)化

0　引言

利用CAE工具對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)得到了廣泛應(yīng)用,涵蓋了汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié),包括汽車(chē)的設(shè)計(jì)校核、整車(chē)實(shí)體造型、車(chē)身的三維設(shè)計(jì)、汽車(chē)零部件的數(shù)控加工、整車(chē)的振動(dòng)和疲勞分析、以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)代替實(shí)車(chē)測(cè)試和破壞性碰撞試驗(yàn)等。

CAE技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用集中體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1)CAE技術(shù)極大地縮短了汽車(chē)的設(shè)計(jì)周期，在建模和分析過(guò)程中采用實(shí)體造型和參數(shù)化，為模型和參數(shù)的修改提供了便利，最終大大縮短了確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需的時(shí)間。

(2)節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用CAE工具對(duì)整車(chē)及相關(guān)零部件的各種性能進(jìn)行分析的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于道路實(shí)車(chē)試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)所需的費(fèi)用。

(3)采用CAE軟件對(duì)整車(chē)和零部件進(jìn)行優(yōu)化，有利于開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車(chē)和零部件。當(dāng)然，從實(shí)際應(yīng)用的情況來(lái)說(shuō)，要想充分發(fā)揮CAE的作用，需要依賴(lài)于兩個(gè)重要條件：一是需要熟練掌握CAE技術(shù)；另一個(gè)是要提供最基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。這里所指的基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是指道路特性數(shù)據(jù)、各種材料的力學(xué)特性等。所謂相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)是指企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷積累的、能夠提供結(jié)構(gòu)形式和主要參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1　排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

汽車(chē)排氣系統(tǒng)是指收集并且排放廢氣的系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)一般由排氣歧管、排氣管、催化轉(zhuǎn)換器、排氣溫度傳感器、汽車(chē)消聲器和排氣尾管等組成。汽車(chē)排氣系統(tǒng)主要是排放發(fā)動(dòng)機(jī)工作所排出的廢氣，同時(shí)使排出的廢氣污染物減少、噪聲減小。

某項(xiàng)目柴油汽車(chē)排氣系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

車(chē)輛在耐久試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了后級(jí)催化器后法蘭斷裂的情況，斷裂位置如圖2所示。

分析斷裂原因?yàn)橄到y(tǒng)振動(dòng)過(guò)大造成。而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、路面不平度和氣流振動(dòng)激勵(lì)是導(dǎo)致排氣系統(tǒng)振動(dòng)的主要原因。結(jié)合此項(xiàng)目，怠速振動(dòng)為造成該事故的因素。排氣系統(tǒng)的怠速振動(dòng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的往復(fù)慣性力激勵(lì)產(chǎn)生，其頻率與車(chē)輛搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)和怠速轉(zhuǎn)速有關(guān)。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率計(jì)算公式為：

(1)

其中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；M為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目。

2　排氣系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化

2.1排氣系統(tǒng)模型處理

采用5mm的Shell單元對(duì)排氣系統(tǒng)的管件和各支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各管件間的縫焊采用殼單元進(jìn)行模擬，管件和接頭間的部分焊縫采用三棱柱單元進(jìn)行模擬。排氣系統(tǒng)中的波紋管采用Cbush單元進(jìn)行模擬。催化器內(nèi)部的質(zhì)量按均布的方式添加在相關(guān)管件上。此排氣系統(tǒng)有限元模型如圖3所示。

將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱簡(jiǎn)化為一個(gè)位于其質(zhì)心處的質(zhì)量點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的懸置裝置采用CBUSH單元進(jìn)行模擬。催化器開(kāi)裂位置和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬如圖4所示。

2.2部分有限元模型的材料特性

排氣系統(tǒng)中管件材料為SUH441，三元催化器殼體材料為SUH409L,橡膠材料件為丁苯橡膠，材料屬性見(jiàn)表1。其他鋼質(zhì)材料力學(xué)參數(shù)按常用值選取。

表1部分組件材料屬性

2.3分析工況

計(jì)算工況共3種，詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2　計(jì)算工況

2.4分析結(jié)果

兩級(jí)催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的連接有3個(gè)位置，如圖5所示。

位置1和2為硬連接，位置3為軟連接。下面分別分析位置3為軟連接和硬連接時(shí)的應(yīng)力結(jié)果。位置3采用軟連接的計(jì)算結(jié)果如表3所示，位置3采用硬連接的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

對(duì)以上兩種連接形式進(jìn)行比較，結(jié)果如表5所示。

表3　位置3采用軟連接的計(jì)算結(jié)果

表4　位置3采用硬連接的計(jì)算結(jié)果

表5　位置3采用不同連接形式的應(yīng)力比較

通過(guò)以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1)當(dāng)位置3采用硬連接時(shí)，3種工況下排氣系統(tǒng)的最大應(yīng)力雖比采用軟連接升高，但最大值108MPa小于125MPa(認(rèn)為催化器高溫條件下，材料屈服強(qiáng)度下降到常溫下的50%，250×50%=125MPa)，滿(mǎn)足使用要求;

(2)后級(jí)催化器后端(即耐久試驗(yàn)中斷裂處)位置3采用硬連接時(shí)比軟連接時(shí)的應(yīng)力下降30%以上，采用硬連接比較合適。

將位置3改為硬連接后進(jìn)行實(shí)車(chē)耐久試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)斷裂情況，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足使用要求。

3　結(jié)論

排氣系統(tǒng)是整車(chē)振動(dòng)的最敏感區(qū)域，尤其對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型，因此在設(shè)計(jì)前期應(yīng)該重點(diǎn)考慮其結(jié)構(gòu)形式，慎重選擇排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)及其吊掛形式，利用CAE工具對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行分析和校核，可避免在設(shè)計(jì)凍結(jié)后排氣系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，節(jié)約了汽車(chē)的設(shè)計(jì)制造成本,避免了后期的質(zhì)量問(wèn)題。

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OptimizationofAutomotiveExhaustSystembyCAE

ZHANGZhenghua1,CHENGLihui2,YANGShujian2,LIUBingyin2

(1.HenanVocationalandTechnicalCollegeofCommunications,ZhengzhouHenan450005,China;2.ZhengzhouNissanMotorCo.,ZhengzhouHenan450016,China)

Automotiveexhaustsystemhasanimportantimpactonbodyvibration,vehiclenoiseandsoon,andCAEhasauniqueadvantageinthedesignofautomitiveexhaustsystem.Inthiscase,adieselcarexhaustsystemfractured,thefiniteelementmethodwasusedtostudythestructureoftheexhaustsystem;thecauseoftheaccidentwasidentified,andthekeystructurewasoptimized;finallybyrealvehicledurabilitytest,thesolutionwasverifiedwhichcansolvetheproblemofexhaustpipefracture.ThesolutionprovidesareferencefortheuseofCAEinthedesignofautomotiveexhaustsystem.

Automotiveexhaustsystem;Fracture;CAEanalysis;Optimization

2016-05-10

張正華(1982—)，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。E-mail：57308965@qq.com。

U463;U464.134+.4

A

1674-1986(2016)07-047-04