（光学工程专业论文）摩托车消声器消声特性及计算机辅助设计研究.pdf

中文摘要 随着交通噪声污染的日趋严重，汽车及摩托车的噪声问题已经引起了全 社会的普遍关注。专用计算机辅助设计( c a d ) 系统可以改善产品设计质量、 提高生产效率，是提高车辆声品质的重要方法。 本文结合国内外摩托车振动噪声的研究现状，以c g l 2 5 型摩托车为研究 对象，开展了以工程实际应用为目的的消声器二次开发研究。作者在系统设 计中融入了现代设计方法，将三维建模、分析计算和后续编程结合起来，并 为进一步研究开发预留了较大的空间。 论文选择了基于并行工程的思想作为关键技术，综合采用参数化技术建 立零件模型，在计算机上模拟出三维数字化的实体模型。为找出消声器设计 的优化方案，作者运用先进设计理论和方法对影响其消声特性的主要结构参 数进行了研究。结果表明，入口管、出口管中心线的相对位置，入口管、出 口管相对于扩张腔的插入长度及管子与扩张腔连接处的圆角半径是影响消声 器消声效果的重要因素。 本文深入研究u g 二次开发的方法，以v i s u a lc + + 6 0 和u g o p e na p i 作为二次开发工具，使用装配设计技术和先进建模技术等现代设计理论与方 法做指导进行系统设计。利用c + + 编程完成系统的前处理开发，实现与u g n x 应用程序的接口；同时使用u g o p e n a p i 中的m e n u s c r i p t 辅助开发模块 实现主菜单的用户定制，并将其与动态链接库联系起来：利用u i s t y l e r 模块 创建自定义对话框，综合使用v c + + 和a p i 编程生成动态库，从而建立了摩 托车消声器三维造型的c a d 开发系统。 关键词：消声器消声特性二次开发c a d 装配 a b s t r a c t n o w a d a y sp e o p l eh a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt ot h en o i s eo f a u t o m o b i l ea n d m o t o r c y c l e n l es p e c i a lc o m p u t e ra i d e dd e s i g nf c a d ) s y s t e mi st h en e c e s s a r y w a y t oi m p r o v et h es o u n dq u a l i t yo fv e h i c l eb yp r o m o t i n gt h ed e s i g nq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo f p r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no fv i b r a t i o na n dn o i s eo fm o t o r c y c l e ，t h e a u t h o rh a sm a d ead e 印r e s e a r c ho fm u f f l e rd e v e l o p m e n to nc g l 2 5m o t o r c y c l e t h es y s t e md e s i g n ，w h i c hi n c l u d e sm o d e md e s i g nm e t h o d ，c o m b i n e sc a l c u l a t i o n a n da n a l y s e s ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sa n df o l l o w - u pp r o g r a m m e d i ta l s o r e s e r v e sal a r g es p a c ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h ed i g i t a l3 dm o d e lo fm o t o r c y c l em u f f l e rw a ss i m u l a t e di n t h i sp a p e r , w h i c hb a s e do nt h ea d v a n c e dc o n c e p ta n dt e c h n o l o g yo fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g a n da l s ot h ep a r a m e t r i cd e s i g no ft h ec o m p o n e n t s i no r d e rt o o p t i m i z et h e s 廿u c m r eo ft h em u f f l e r , t h ea u t h o rm a k ead e e p l yr e s e a r c ho nt h ee f f e c t so f s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h en o i s ee l i m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u f f l e rb y a p p l y i n gt h ea d v a n c e dd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f o l l o w i n gt h r e ee l e m e n t sa r et h em o s to b v i o u se f f e c t i v ef a c t o r so ft h en o i s e e l i m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ：t h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ec e n t r a ll i n ef o ri n p u ta n d o u t p u tt u b e ，t h ei n n e re x t e n d e dl e n g t ho ft h et u b ei ne x p a n d e dc a v i t ya n dt h e r a d i u so f t h et u b ef o rc e r t a i nv o l u m em u f f l e r , t h et h e s i ss t u d i e st h ed e v e l o p m e n tm e t h o do fu gt h o r o u 【g h l ya n dr e a l i z e s t h ew h o l ep r o c e s so fd e v e l o p m e n tb yv i s u a lc + + 6 0a n du g o p e na p l i no r d e r t op e r f o r mt h ed e v e l o p m e n t ，t h er e s e a r c ha p p l i e sm a n yk e yt e c h n i q u e si nt h e p r o c e s so ft h es y s t e md e s i g n ，s u c ha sa s s e m b l yd e s i g na n da d v a n c e dm o d e l i n g t e c h n i q u e s t h r o u g hc u s t o m i z a t i o no fm e n u s c r i p t ，v i s i b l ed e s i g no fu i s t y l e ra n d d y n a m i cs t o r e h o u s ep r o g r a m m e d ，t h ec a ds y s t e mo fm o t o r c y c l em u f f l e ri ss e t u p k e y w o r d ：m u f f l e r , n o i s ee l i m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，d e v e l o p m e n t ，c a d ，a s s e m b l y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了i 9 意。 学位论文作者签名：男瑚 签字日期：2 时年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乃瑚导师签名：算凤彦 签字日期：州，年j 月j 日签字日期：2 0 0 , 5 年1 月，d 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在制造业与计算机业迅猛发展的今天，计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 技术已逐渐成为当代计算机应用与工业结合的个重要领域。随着 计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，c a d 技术及其应用一直处于日新月 异的发展浪潮之中【1 】。c a d 技术在制造业获得广泛的应用，为提高企业的市 场竞争能力发挥了重要作用。作为c a d 技术应用的一个重要方面，汽车、 摩托车等车辆产品的计算机辅助设计一直是国内外业界普遍关注的焦点之 作为机械、电子、材料等多种学科交叉发展的重要成果，车辆早已成为 人类生活中不可缺少的重要组成部分。随着汽车摩托车产品制造业迅速发展 及全球范围内的经济一体化趋势的加速，传统的手工设计和制造方式早己满 足不了生产发展的需要。c a d 技术的应用和发展正适应了这种客观要求，显 著提高摩托车产品的设计制造效率及质量，减少产品修改时间，大大缩短从 产品设计、产品试制、产品试验到产品生产的整个周期。 改革开放以来，国内摩托车工业得到了很大发展，今后摩托车工业的发 展重点已逐步转向独立自主型及车辆零部件的开发r 2 1 。国内摩托车企业都在 积极寻求和探索生存发展的道路，为了能高速高效地完成产品开发和研制， 广泛的利用先进的计算机辅助设计技术势在必行，计算机辅助设计不再是单 一的绘图或数据库管理，它随着自身不断的发展，加入了包括优化设计、有 限元分析、工艺过程设计、数控加工等环节，成为一种日益完善的综合性的 现代设计方法。对于精通各种设计方法的研究人员而言，可以随意切换使用 各种设计方法，但对于工程技术人员，则需要一种集成的具有统一设计平台 的应用软件。基于这一构想，本课题在完成了大量前期工作的基础上，开发 出面向工程技术人员的摩托车消声器c a d 设计系统。 第一章绪论 1 2c a d 技术概述 c a d 技术设计是分析和综合相结合的复杂过程，包括大量的数值计算、 参数查找和绘图等繁琐工作，也包括创造性思维、经验运用和判断评价等智 能行为。计算机的应用，能充分发挥其强大逻辑运算功能和大容量信息存储 与快速信息查找能力，完成信息管理、数值计算、分析模拟、优化设计和绘 图等多项任务，而设计人员则可对计算、处理的中间结果做出判断、修改， 集中精力进行有效的创造性思维。设计人员与计算机紧密结合，发挥各自特 长，将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能 力很好地结合起来，更好地完成从设计方案的提出、评价、分析模拟与修改 到具体设计实现的设计全过程。现在，c a d 已成为计算机应用的一个重要领 域。 计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设 计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。c a d 技术 的发展推动了几乎一切领域的设计革命，它的发展和应用水平已成为衡量一 个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 1 3 国内外主流c a d 技术发展的现状及趋势 在当今知识经济的时代，随着计算机技术的飞速发展和计算机性能价格 比的逐年提高，作为计算机技术应用重要领域之一的计算机辅助设计在航空 航天、汽车、造船、机械、建筑、电子、轻工等行业得到了普遍的应用吼 c a d 技术及应用作为计算机理论与工业实践结合的重要领域，始终具有蓬勃 发展的生命力。 1 3 1 国际主流c a d 技术的发展 目前c a d 技术发展的主流以从平面模型过渡为建立三维实体模型，并 体现出其显著的优越性。国外大型企业g m 、波音飞机公司等都建立了基于 c a d 软件的大型三维模型数据库，主流c a d 软件如u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 等都是以其强大的三维建模功能而得以广泛应用，即使是以优秀平面绘图功 第一章绪论 能著称a u t o c a d 的也越来越注重三维建模功能的开发。 在设计概念与设计思路不断更新的今天，c a d 不再是在其起步阶段仅以 绘制工程图为目的，它己成为包含大量技术元素的综合工具，渗透到工业制 造的各个领域，对体现工业技术最新水准的汽车行业更是如此。主流c a d 软件不仅包括了三维特征造型、虚拟技术、有限元处理、数控仿真及数控加 工等功能，开发商对软件的功能、性能，特别是用户界面和前、后处理能力 进行了大幅度扩展，而且软件提供了功能强大的二次开发工具和数据接口， 使企业能够从自身要求出发扩展c a d 模块，建立本企业集成化、专业化的 技术支持系统。 c a d 的发展经历了几次技术革命：6 0 年代发展起来的二维、三维线框造 型技术，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系； 7 0 年代，法国人提出的贝赛尔算法，使人们用计算机处理曲线曲面问题成为 可能；8 0 年代初期，基于对c a d c a e 一体化技术发展盼探索，s d r c 公司 发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件l - d e a s ： 8 0 年代中期，c v 公司提出了参数化实体造型方法；9 0 年代，s d r c 公司提 出了变量化技术，其保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设 计修改的优点，但它把参数进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是像参 数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。 c a d 技术仍在向前发展，在国外有人称它为“下一代c a d 系统”，这是 一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化 的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作 4 】。但是目前还不能提供成熟 的商品化的第四代c a d 系统，各种相关技术还在研究与发展中： 汽车行业中，欧美各大汽车公司改型换代约需4 8 个月，而日本只需3 0 个月，这在很大程度上归功于日本先进的c a d c a e c a m 技术。美国p t c 公司的高级技术总监c h a r l e s e e e l m e r 博士9 8 年初在上海由我国6 0 多位来自 汽车行业的企业级首脑大会上，介绍了福特汽车公司运用技术信息改造产品 开发流程的成功经验，他认为正确地选择企业信息管理系统工具和 c a d c a e c a m 工具，将直接影响产品质量、经营成本和产品研制开发以及 产品上市周期1 5 】口 汽车摩托车等常用交通工具作为消费品已不再片面追求大批量生产，人 们越来越注重它的个性化，生产企业不可能再像从前一样消耗很长的周期 第一章绪论 个一个开发车型。他们为了适应这一潮流，提出了平台( p l a t f o r m ) 概念，即 是一系列车型基于同一基础平台，只调整某些部分，以期在短周期内不断向 市场推出新车型。要实现这一功能，就必须进行参数化设计，建立数据库及 数据管理系统，实现集成开发【9 j 。 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 方法能够存储整个设计过程的数据，使 得一个模型能够生成一系列产品。在进行参数化设计时需要大量数据交换， 数据管理及集成开发系统就是通过简捷的界面使用户更好地使用数据库，只 有良好的管理系统才能体现出参数化设计的优越性“”。因此，集成开发环 境与数据管理系统已经成为了c a d 集成与开发的重要研究方向之一。 主流c a d 技术仍将进一步朝着集成化、智能化、网络化、专业化的方向 发展，并不断融入新的设计概念【l ”。在c a d 软件的开发中，实现真三维图 形处理及虚拟现实，建立面对对象的工程数据库及管理系统，进行多相多态 介质耦合、多物理产品耦合以及多尺度耦台分析，适应超级并行计算机和机 群的高性能求解技术，实现集成化、属地化与专业化等将成为主流c a d 技 术发展的趋势”“。 1 3 2 国内c a d 技术发展的现状及问题 我国的c a d 技术及应用经历了由引进到开发，由一般到高级，由少数 单位到全面普及的发展过程。近2 0 年来，在国家的支持下广大工程技术人员 告别了手工设计、绘图的传统设计方法；c a d 技术在制造上广泛应用，在设 计计算、分析评价、制造测试等方面发挥了重要的作用。 国内企业虽然广泛引进了c a d 技术，但各个企业仍处于不同的层次。 应用c a d 技术最终提倡实现产品c a d 、零件c a p p 、零部件c a e 、数控加 工c a m 的信息一体化，实现产品开发部门与管理部门的双向信息传输。 我国企业在c a d 应用方面，仍存在许多问题，随着加入w t o ，这些缺 陷日益显著。比如满足现状、不重视对产品开发的投入；忽视数据管理系统 的建设，造成数据独立，无法实现真正的信息共享；企业的投瓷方向与人才 培养的误区等等。 因此构造适于企业及市场的设计平台，不断开发c a d 软件的功能，是 解决我国摩托车行业生存的关键，这也是本论文努力的方向。 第一章绪论 1 4 消声器研究现状 噪声方面的研究是自1 9 7 9 年我国颁布了机动车辆噪声标准后才普遍开 始的，并且工作重点侧重于试验研制。由于排气消声器涉及声学、流体力学、 传热学、结构力学等多个学科，对其进行研究比较复杂，所以早期的研究工 作主要以试验为主。消声器的设计大多是在一维平面波理论计算的指导下进 行的，根据样品及有关资料推荐的参数，加上设计者的经验来设计，试验后 满足要求即可。在一维理论广泛应用的时候，有人提出用二维方法设计消声 器，至今为止这两种理论仍是消声器设计的主流。目前国内大部分的消声器 设计都采用一维理论，但消声器中真实的声音传播是三维的，因此采用三维 理论研究消声器特性最能真实的反映问题。求解三维问题的有效手段是采用 数值方法，随着数值计算软件的发展，已经有人开始利用数值方法将三维理 论应用于消声器的研究之中，但是还处于起步阶段，一般仅起辅助作用，主 要设计方法仍然采用传统的一维理论、经验加试验的方法。 1 5 课题研究目的及意义 汽车工业是我国以至世界的重要产业，国家在支持本国企业与国外企业 合作发展汽车工业的同时，也一贯鼓励自主开发和技术创新。尽管在我国汽 车行业c a d 的开发已经取得了一定成绩，但在系列化、标准化及先进设计 手段上，与技术领先的国家相比还有一定的差距；而且在研究消声器方面借 助计算机进行辅助设计的还很少。我国的摩托车制造业发展迅猛，其产量占 世界总产量的一半以上，产品已销售到国际市场。尽管我国的摩托车产量很 大，但相对发达国家其质量相对较差，主要体现在摩托车的n v h ( n o i s e v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 性能方面。性能良好的消声器是控制摩托车噪声及 其音质的最重要的总成部件，因此，我校车辆工程专业与天津摩托车技术研 究中心合作，开展c g l 2 5 型摩托车的噪声成份分析及音质研究工作，我的研 究方向主要是摩托车消声器声特性及计算机辅助设计。 本课题旨在通过试验计算并改进摩托车消声器的消声性能，利用 u n i g r a p h i c s 建模，并以此为基础进行基于c a d c a m 集成系统平台的u g 二 第一章绪论 次开发，主要借助u g o p e na p i 及v c 抖编程，从而完成摩托车消声器系统 的c a d 研究与开发。 根据了解，我国大部分生产厂家在研制摩托车消声器的过程中，由于设 计手段的相对落后，往往只能采用比照的方法，所以设计出的产品不便于标 准化、系列化和模块化。因此，需要在现有的技术基础上，选择有利的运行 机制，尽快开发出系列化、标准化的摩托车消声器部件。本文通过对其参数 化设计的研究和开发，期望达到以下目的： 1 结合实际设计的要求与经验，对现有三维设计软件u g 的设计及后续 处理功能进行研究和扩展，为企业提供进行快速零件设计的基础，并对其中 一些典型问题提供解决方案。 2 结合国际c a d 技术发展的主流及国内的现状，探索新的设计方法， 研究正向设计与逆向工程结合的设计思路，以及基于软件并行工程的主导技 术理论，为企业提供现代化的设计概念。 3 通过对u g 软件的二次开发，探索采用面向对象的软件设计方法在进 行c a d 软件集成化、专业化中的应用，总结软件开发与维护的经验。 4 对进一步开发现有软硬件潜力，提高设计能力及效率进行探讨。积累 经验，为以后更深入开发打下基础。 本论文所研究的消声器c a d 设计系统，体现了当前c a d 技术的主流概 念，将为摩托车工业也为机械行业提供合理的设计思路以及高效的设计手段。 1 6 论文主要工作 鉴于摩托车振动噪声问题的重要性以及国内外目前的研究现状，特别是 为了弥补我国在摩托车噪声控制领域的落后状态，改进消声器传统设计方法， 本论文围绕摩托车消声器c a d 系统设计进行了以下方面的研究： 论文的第一章，首先介绍了开展摩托车消声器c a d 系统的研究意义， 阐述了现代c a d 技术的发展情况，概述国外主流c a d 技术发展现状和趋势 及国内c a d 研究所遇到的问题。点明本课题研究的目的及意义。 论文的第二章，介绍了本次研究基于u g 平台的消声器三维模型构建的 设计思路与流程，以及采用参数化建模技术构建消声器零部件的方法，并利 用装配树结构实现了消声器零部件的装配。 第一章绪论 论文的第三章，从建立完整真实的消声器三维实体角度出发，分析优化 设计建模的重要前提是功能完善的产品设计；利用u g 建模，改变消声器的 消声结构，通过生成有限元模型参数并利用s y s n o i s e 完成不同消声结构的消 声特性的计算，通过分析来寻求消声器的最佳结构设计方案。 论文的第四章，利用v c + + 6 0 进行系统的前处理开发，实现系统管理与 u g 系统的接口：使用u g o p e na p i 中的m e n u s c r i p t 模块将动态链接库与u g 的 菜单联系起来，利用u i s t y l e r 辅助开发模块创建自定义对话框；综合使用v c _ + ：f d a p i 编程生成动态库，从而建立基于u g 平台的摩托车消声器c a d 二次开发 系统。 论文的第五章，对全文进行总结，指出课题研究开发中遇到的技术难点 和解决方案及所取得的主要成果。 第二章摩托车消声器三维建模 第二章摩托车消声器三维建模 2 1 设计平台的选择 随着工业技术的发展和日趋激烈的市场竞争，要求在短时间内设计出高 性能低价格的摩托车消声器，传统设计方法已经无法满足要求。因此，许多 新的设计方法应运而生，其中计算机仿真技术已经成为这个领域极为活跃的 热点和前沿。 在消声器的消声特性研究中，确定使用u n i g r a p h i e s ( u g ) 建模，结合 运用有限元分析软件a n s y s 划分网格、声学软件s y s n o i s e 做声学计算。由于 u g 不仅具有十分友好的用户界面( 包括与外界的各种数据转换接口) ，而且 还提供了丰富的开发工具。因此利用u g o p e n a p i 程序设计模块和u l s t y l e r 、 m e n u s c r i p t 两个辅助开发模块作为后续的软件开发设计平台，将外部的c + + 程序调用集成到u g 中，管理内外文件系统，改变和扩充u g 的功能。 2 2 设计思路 设计中选择了基于并行工程作为开发摩托车消声器的关键技术o 】，利用 u g 建立主模型，综合采用参数化和变量化技术 6 - 8 1 。设计从系统实用角度出 发，主要分为三部分： 1 测量采集摩托车消声器的三维坐标数据，利用u g 软件重构其三维模 型。根据各零件的位置关系，采用自底向上或自顶向下的装配方法，模拟装 配消声器。 2 将各个系列消声器分别加以研究，综合考虑摩托车排气消声器的各种 影响因素，利用参数化等复合技术对消声器建模，利用a n s y s 划分网格并导 入s y s n o i s e 用以计算消声量，分析设计结果，找到最佳改进方案。 3 利用u g o p e na p i 和v c + 十编程完成软件二次开发，设计自己的开篇 界面和菜单系统，开发u g 风格的人机交互界面。进行c a d 设计时以前面的 设计数据为基础最后将自己设计的内容进行封装并与u g 平台进行柔性集 成。 第二章摩托车消声器三维建模 2 3 三维模型的建立 汽车制造业中常用到三坐标测量仪 ” ，对汽车的油泥模型或其它需改进 的实物零件进行空间测量，获取原始对象的空间坐标，以此来构造新模型或 检测分析零件的精度、质量。u g 提供了在c a d 模块中准确无误直接读取测 得三维坐标数据( 即d m i s 格式) 的功能，采用点云成面的方法重建模型。 在重建过程中，u g 还能自动进行坏点的剔除，按所给定的公差要求进行曲 面和形体的建模。因此作者采用三坐标测量仪来测量、采集摩托车消声器的 三维坐标数据，再利用u g 软件重构出满意的模型，设计过程见图2 1 。 图2 - 1 设计流程图 为了减少测点数，又要构造出光顺的模型，对于测点的布置，构造曲面 的方法就显得较为重要，否则构出的模型不是不光顺就是与实物模型相差太 远。因此，根据消声器模型的轮廓特征，在其上画出纵横特征曲线( 曲线不 要太密，只要能反映模型即可，否则构造模型费时，且不易光顺) ，在这些纵 第二章摩托车消声器三维建模 横交叉点上测出坐标值，然后采用三维c a d 软件u g 连线( 即样条) 构成曲 面。如所成的曲面不光顺，修正这些样条，再构面，直至模型光顺为止。光 顺是指曲面上各点的曲率是连续变化的，我们判别的标准是模型旋转时，软 件中反射到模型上的光线是均匀的粗亮条就可。 采用u n i g r a p h i c sn x l 0 软件对摩托车消声器内部及外壳的测量数据进 行三维再现。画出特征线，将测量得到的数据文件( d x f ) 引入到u g 中， 软件中设定一层只存一条曲线的数据，以便今后修改。再利用u g 中t o o l b o x 的c u r v e s 连纵向线( 样条线阶数不要太高，三阶即可) ，使用f r e e f o r m f e a t u r e 中t h r o u g hc u r v e s 连成整个表面。当表面不光顺时，可以修正这些样条，即 在样条上生成较多的点，修正某些点的坐标值，重连样条线，使样条线本身 及重构的曲面光顺度提高，重复上述过程，直至满意为止。构造出的摩托车 消声器三维模型如图2 2 所示。 首先采用三维数字化测量获得实物模型外部和内部的数据，然后使用u g 在这些数据点或线的基础上进行设计【l ”。这种方法既发挥了逆向设计的优 势，同时又利用u g 软件强大的参数化和曲面建模功能，通过有效地规划模 型的特征线，测量较少的点，从而快速有效地构造出满意的模型。 2 4 装配设计 图2 - 2 摩托车消声器三维模型 建立消声器全部零件的三维模型后，不但建立与事物同样的实体，u g 还 保存了实体的所有参数，可以根据设计概念对参数进行修改，完成参数化设 第二章摩托车消声器三维建模 计 1 8 。使用u g 软件提供的功能强大的装配模块( a s s e m b l y ) ，根据各零件的 位置关系，采用自底向上的装配方法，进行消声器的模拟装配，由零件构成 子装配体，进而总装配。具体设计思路： 1 进行摩托车消声器的外部造型设计和内部结构设计，生成一个三维实 体模型，提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型。 2 将几何模型当作设计实体处理，在计算机上模拟产品的整个设计过程， 从部件创建、分段装配到产品整合，进行检验并核对各几何尺寸和功能结构 间的要求和适配。 3 结合用户需求，仔细分析计算机上产品从外观造型到材料配置、从功 能组合到内部结构、从加工工艺到使用条件，逐项讨论并用计算机分析优缺 点，为优化设计提供依据。 如何在计算机上方便有效地进行数字模型装配、装配设计、装配分析， 保持装配的关联性和实际装配的一次成功是摩托车消声器开发的一个技术追 求 ”1 。在消声器系统的二次开发时采用了主模型的概念引入各个装配件。用 户建立对象的3 d 模型后，只要改变这个原始模型，此数字模型作为主模型 而产生的图形都会自动地作相应的改变，并且利用主模型可以实现在设计过 程中一定范围内的部件的修改，从而保持装配体内的一致性和相关性 ”1 。 采用主模型有下列优点：第，减少存储量，由于模型的装入是可以通 过“加载选择”控制装入的，系统不必每次都把几何模型全部装入，而是仅 仅装入结构的指针，几何模型的操作( 如修改f e a t u r e ，添加新的f e a t u r e ，删 除f e a t u r e 等) 只有使其成为工作零件时才需进行。减少存储量的另一个有效 方法是充分利用引用集，引用集的引入大大降低存储量和提高系统执行速度。 第二，具有相关性，当主模型发生变化时，直接反映到下游模型中，因而对 主模型的修改非常方便。第三，可实现一定程度的并行操作，如果用户有对 主模型的修改权限，用户可在自己的专业领域使主模型成为工作部件对其进 行修改，即下游操作可对上游模型进行修改。因此主模型环境非常适合全局 性的集成操作。 论文利用装配树结构( a s s e m b l i e s e d i t - - s t r u c t u r e ) 实现了信息的集成， 通过装配树的结点将零件连接到装配村上。摩托车消声器己形成不同型号的 系列化产品，使其参数化特征造型设计成为可能。利用参数化设计及特征建 模将消声器模型分为如下图2 - 3 的结构及特征，特征中主要包含实体的几何 第二章摩托车消声器三维建模 信息。 消声器模型 输入结构参数 绘制零件 标准件、通用件 吸声材料 确定装配关系 入口管 扩张腔、共振腔 尾管 穿孔板 圆角特征 位置关系 联接关系 配合关系 运动关系 图2 3 消声器建模 研究将消声器扩张腔作为主模型，根据装配关系确定参数特征化模型 如图2 - 4 所示，建立主模型，完成分析，装配，制造过程。 图2 - 4 模型视图 1 2 第二章摩托车消声器三维建模 2 5 本章小结 1 选择u g 及其二次开发工具u g o p e na p i 作为设计平台，结合运用 a n s y s 和s y s n o i s e 软件，制定整体设计思路。 2 利用u g 在c a d 模块中准确无误直接读取测得三维坐标数据的功能， 采用三坐标测量仪来测量、采集摩托车消声器的坐标数据，利用u g 软件重 构出满意的三维模型。 3 使用u g 进行装配设计的过程中，利用装配树结构实现信息集成，通 过装配树的结点将零件连接到装配树上。进而采用主模型概念建立扩张腔模 犁。 第三章消声器消声特性研究 第三章消声器消声特性研究 摩托车消声器的外形构造比较复杂，为建立其完整真实的三维实体，研 究其消声特点，采用先进的建模方法是非常必要的。在现代c a d 、c a e 软件 技术的支持下，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、且易于修改， 设计人员的智慧和创新能力可以得到充分地发挥和展现，甚至还可创新设计 方法和思路。本文摩托车消声器c a d 系统模型即是采用基于三维实体造型的 参数化、特征造型和变量化设计技术来设计空间结构。 一个功能完善的产品设计，不仅需要产品设计尺寸正确，还需要设计合 理、结构性能好，以保证在正常工作时运动过程中不发生意外、使用安全可 靠 2 0 ，同时还必须兼顾人机工程学、环境保护学等规范 2 ”。为了提高设计的 一次成功率、缩短研发周期，在开发设计阶段对消声器进行算法研究、优化 设计等工程分析是至关重要的。 为确保研究的先进性和实用性，作者对现有摩托车消声器进行了深入研 究，对其消声性能进行了综合评价。总结了前人的研究成果，以此作为开展 目的为改善消声性能的开发和研究的参考，广泛借鉴国内外的有效研究方法。 3 1 概述 发动机排气噪声是摩托车最重要的噪声源，排气开始时燃气温度为 6 0 0 8 0 0 。c ，压力约为0 4 0 5 m p a ，当排气门打开时，废气蛆脉冲的形式从缝 隙中冲出，形成能量很高频谱很复杂的噪声，噪声频率成分从几十赫兹到一 万赫兹以上，是一种宽频带噪声 2 2 】。因此研制高性能排气消声器成为摩托车 降噪的首要环节，先进的设计方法成为决定消声器品质的主要手段，对消声 器进行声学方面的分析是研究优化建模的关键。 摩托车消声器的设计目标【2 纠： 1 消声性能好，在排气噪声的整个频率范围内应有足够的消声量同时 力求避免产生气流再生噪声； 2 阻力损失小，即消声器消耗内燃机的功率要尽可能少： 3 耐高温、耐腐蚀，机械性能好，工作可靠；消声器壳体及内部隔板刚 第三章消声器消声特性研究 度要好，以防激发强烈振动，辐射噪声； 4 结构简单，工艺性好，其外形尺寸与整车协调。 国内消声器设计，基本上采用一维理论，即假设声压只与消声器轴向尺 寸有关，通过研究作者认为一维理论不足以描述消声器内部的声场，声音在 空间的传播是三维的，再加上声波在消声器内部的反射、干涉等现象【2 4 】，用 一维理论描述声场必定有很大的失真，所以需要采用三维有限元方法对各种 消声结构做声学有限元分析，以期找到满足功率损失小、消声量大两方面要 求的消声结构。下面分别从三方面对消声器消声结构的改进作分析。 3 2 管径对消声性能的影响 3 2 1 插入长度不同 3 2 1 1 建模 用u n i g r a p h i c s 软件对消声结构( 带入口管、出口管的扩张腔) 空腔中的 空气建模( 因为后面的声学分析是针对声音的介质空气进行的，所以不 对消声器的金属结构建模) ，模型尺寸如表3 - 1 ，整个结构呈轴对称型如图3 - 1 。 由于四个模型的结构相似，所以在建模的时候应用了参数化建模技术。 表3 一l 消声结构模型尺寸 模型号 模型一模型二 横型1 = 模型四 入口管直径m ml o1 01 01 0 入口管长度m m1 02 51 7 52 5 入口管插入长度m mo1 57 51 5 扩张腔直径m m 3 0 3 03 03 0 扩张腔长度m t n 3 03 0 3 0 3 0 出口管直径m m1 01 0l o1 0 出口管长度m r n1 01 0l o1 7 5 出口管插入长度m moo07 5 第三章消声器消声特性研究 t 。j j 一 乏，) 、 ，一一 模型一模型二 一n 、一 ；t = 一i 。，。j ：二j 一一。 扣“：。一 一 ， i 、；一一， 、，一：二一。 ?1 i。“4 模型三模型四 图3 - 1 消声结构实体模型 3 2 1 2 计算 建模后通过通用格式将模型传递到a n s y s 软件之中划分网格，生成的有 限元模型参数见表3 - 2 。 表3 - 2 消声结构有限元模型参数 模型号模型一模型二 模型三模型四 网格类型 s o l 【d 4 5s o l i d 4 5 s o l i d 4 5s o l i d 4 5 网格尺寸 0 0 0 20 0 0 20 0 0 2 0 0 0 2 单元数量 1 4 3 9 11 3 6 4 81 4 0 0 5 1 3 5 4 9 节点数量2 9 2 02 9 1 42 9 1 9 2 9 6 7 然后再通过a n s y s 与s y s n o i s e 之间的交换格式将模型输入到s y s n o i s e 之 中，模型的计算在s y s n o i s e 软件中完成，对从a n s y s 软件中输入的模型，入 口施加了单位速度激励，出口施加了管口导纳条件t 2 ”，其具体数值由 l e v i n e - s c h w i n g e r 公式( 式3 - 1 ) 计算而得，将导纳施加于指定的边界上，其 他边界默认为刚性壁面，即吸声系数为零。 爿2 面研i 1i 研 1 ) 式中a 为管口导纳，k 为波数，r 为管口半径，p 为空气密度，c 为声速。 第三章消声嚣消声特性研究 四个有限元模型的s y s n o i s e 计算的频率范围为2 0 h z 到9 8 0 0 h z ，步长为 1 0 h z ，计算的结果为各个节点的声压。从入口中间位置的一个节点上和出口 中间位置的一个节点上取出各个频率的声压，再根据消声量计算公式3 - 2 编 写s y s n o i s e 消声量计算程序，s y s n o i s e 读取该程序，执行后生成消声量- 频率 曲线图( 如图3 - 2 ) 。 t l = 2 0 1 0 9 倒c a b ， c s - ：， 式中p o 。是出口节点声压，p 。是入口节点声压。 、 t， 、 | i f辅 模型一 卜寸卜一广。彳一i j ii fi i ，一7 j f| j j k | vj j f l i 【 、 ii ，、ij 卜删卜一卜 wi i l 模型三 e l i 一 【i i ，【 i 、l 、儿 ，叮i 、 、l “7r l ，一 i 、l 、i i 1 ，w 模型二 j 十 、 、。r 弋 、 i t ￥l f i 。 * 一 一e _qm 。e 一 、 e、 ， 图3 - 2 消声量一频率曲线图 模型四 3 2 1 3 计算结果分析 从2 0 0 0 h z 到9 0 0 0 h z 每隔1 0 0 0 h z 取出对应的消声量，整理如表3 - 3 。 从表中可以看出，当入口管插入1 5 r a m 或7 5 r a m 的时候，相比于无插入量的 结构其消声量有所增加。对于插入长度较长的情形，5 0 0 0 h z 以下消声量增加 第三章消声器消声特性研究 比较明显，5 0 0 0 h z 以上不明显；对于插入长度较短的情形，各频率消声量均 有增加。当入口管插入长度1 5 r a m ，出口管插入长度7 5 m m 时，在4 0 0 0 h z 以下消声量相对于无插入量有较大的增加，但是在4 0 0 0 h z 以上消声量反而 减少了。由此说明对于入口管和出口管，并非插入长度越大消声效果越好， 要根据实际情况作出相应调整，选择合适的方式，否则反而会影响消声效果， 减少消声量。 表3 - 3 消声量 模型号模型一模型二模型三模型四 1 0 0 0 h z 处消声量d b 1 0 9 99 2 0 0 0 f l z 处消声量d b 2 33 12 73 5 3 0 0 0 h z 处消声量d b 2 93 83 34 4 4 0 0 0 h z 处消声量d b2 94 23 36 0 5 0 0 0 h z 处消声量d b2 44 22 83 4 6 0 0 0 h z 处消声量d b 1 1 1 01 61 4 7 0 0 0 h z 处消声量d b2 52 13 02 5 8 0 0 0 h z 处消声量d b 2 6 2 73 2 1 5 9 0 0 0 h z 处消声量d b 2 3 2 52 72 2 3 2 2 管径直径不同 3 2 2 1 建模 对消声结构建模，入口管、扩张腔和出口管的轴线重合，模型入口管直 径分别为4 0 m m ，4 4 m m ，4 8 m m ；其他尺寸相同：入口管长度1 0 0 m m ，扩张 腔直径1 0 0 m m ，扩张腔长度5 0 r a m ，出口管直径4 4 m m ，出口管长度5 0 m m 。 3 2 2 2 计算结果分析 计算过程同前，此处及以下都不再重复，生成消声量频率曲线图3 - 3 。 消声量最大处出现在频率为2 0 h z 和1 0 0 0 h z 两处，如表3 4 所示，当三个模 第三章消声器消声特性研究 型的入口管直径递增4 r a m 时，随着直径的增加，消声量减少，最大消声量减 少2 8 d b ，平均直径每增大l m m ，消声量减少o 3 5 d b 。可见虽然入口管直径 增加，有利于减小排气背压，降低发动机的功率损失，但消声器的插入损失 会降低，即消声量减少，消声效果变差，因此，入口管直径应控制在一定范 围内。 ： 、疋f i fi，f e j 瀚 l ， 一一1 r “f mnn 一 模型一 广8 一广一 f 模型二 一- 卜一_ * 一jj - - - 4 爿二一l l ， lj r