基于Nastran的某商用車排氣系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行了CAE強(qiáng)度分析、吊鉤、消聲器筒體、排氣系統(tǒng)整體模態(tài)分析、排氣系統(tǒng)流體性能分析，CAE分析結(jié)果表明，排氣系統(tǒng)各項(xiàng)性能結(jié)果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：商用車;排氣系統(tǒng);性能研究

中圖分類號(hào)：U464.134+.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(yè)快速發(fā)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(tǒng)整車的重要組成部分，其主要由催化器轉(zhuǎn)化器、消聲器、排氣管、吊鉤等零部件組成，該系統(tǒng)發(fā)揮著降低噪聲、減少排放污染等作用，其性能優(yōu)劣直接影響整車NVH性能[1-3]，故研究排氣系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

本文采用Nastran和HyperMesh軟件，對某商用車排氣系統(tǒng)進(jìn)行了CAE強(qiáng)度分析、吊鉤、消聲器筒體、排氣系統(tǒng)整體模態(tài)分析、排氣系統(tǒng)流體性能分析，多方面校核了排氣系統(tǒng)性能，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成。

2 排氣系統(tǒng)CAE強(qiáng)度分析

2.1 排氣系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸大小4mm，模型質(zhì)量為42kg，本體材料為Q235，波紋管剛度參數(shù)如表1，橡膠吊耳剛度參數(shù)如表2，排氣系統(tǒng) FEA模型如圖1所示。

2.2 排氣系統(tǒng)CAE強(qiáng)度分析

本文首先對排氣系統(tǒng)進(jìn)行1g自重分析，以校核吊鉤強(qiáng)度，約束排氣系統(tǒng)固定安裝位置全自由度，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，其中吊鉤A-G所承受的吊掛力匯總?cè)绫?所示，滿足目標(biāo)要求（吊掛力<50N），排氣系統(tǒng)最大下陳位移為4.1mm，其位置位于出氣彎管區(qū)域，滿足目標(biāo)要求（最大位移<5mm）。

本文對排氣系統(tǒng)進(jìn)行了Z向5g靜力場強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力位置為排氣系統(tǒng)的環(huán)形焊縫區(qū)域，其值為19.3MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足目標(biāo)要求。

3 排氣系統(tǒng)CAE模態(tài)分析

3.1 吊鉤模態(tài)分析

本文對吊鉤A-E進(jìn)行了約束模態(tài)分析，對每個(gè)吊鉤都約束了兩端管路，吊鉤模態(tài)分析結(jié)果如圖4，模態(tài)匯總結(jié)果如表4，吊鉤模態(tài)都滿足目標(biāo)要求（大于140Hz）。

3.2 消聲器筒體模態(tài)分析

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

3.3 排氣系統(tǒng)整體模態(tài)分析

本文對排氣系統(tǒng)進(jìn)行了整體約束模態(tài)分析，其結(jié)果如圖6，一階垂向彎曲模態(tài)為23.9Hz，一階水平彎曲模態(tài)為19.3Hz，二階垂向彎曲模態(tài)為29.8Hz，二階水平彎曲模態(tài)為34.9Hz，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求（大于15Hz）。

4 排氣系統(tǒng)CAE流體分析

4.1 排氣系統(tǒng)背壓損失分析

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

4.2 排氣系統(tǒng)流動(dòng)性能分析

本文對排氣系統(tǒng)進(jìn)行了流動(dòng)性能分析，如圖8，預(yù)催載體流動(dòng)均勻系數(shù)為0.98，滿足載體均勻性系數(shù)大于0.9的目標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文基于Hyperworks和Nastran軟件，對某商用車排氣系統(tǒng)進(jìn)行了CAE強(qiáng)度、模態(tài)、流體性能CAE分析，CAE分析結(jié)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(tǒng)最大應(yīng)力為19.3MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，吊鉤約束模態(tài)、消聲器筒體模態(tài)、排氣系統(tǒng)整體模態(tài)結(jié)果都滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，CAE流體分析結(jié)果表明，排氣系統(tǒng)熱端背壓損失為52.2KPa，大于目標(biāo)值49KPa，預(yù)催載體流動(dòng)均勻系數(shù)為0.98，總體而言，排氣系統(tǒng)CAE驗(yàn)證了其性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，且最終路試和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證通過。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉志恩，伍楊民等.某乘用車排氣系統(tǒng)低背壓設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].數(shù)字制造科學(xué)，2019，17（3），167-169.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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