（机械设计及理论专业论文）汽车排气系统的cae分析及开发设计研究.pdf

汽车排气系统的c a e 分析及开发设计研究 摘要 汽车排气噪声是汽车的主要噪声源之一，而汽车排气系统的性能决定着排 气噪声的水平。本文通过对某汽车排气系统进行仿真分析，来评价该排气系统 的整体性能，同时也研究了消声器以及排气系统的开发设计方法。 建立排气系统分析模型，应用有限元分析软件对汽车排气系统的声场特性 进行计算，得到系统的声场分布情况，归纳出穿孔管的结构参数与消声器消声 性能的影响关系。通过对排气系统进行模态分析，掌握了排气系统的振动情况， 提出排气系统悬挂点选取的优化措施。又对排气系统进行流场特性分析，得到 排气系统内的压力、流速和温度的具体分布情况，定性的计算出各主要部件的 压力损失。其仿真分析结果对排气系统整体性能的优化具有重要指导意义。 经过研究分析，总结出排气消声器的开发设计流程、典型消声结构的计算 方法以及排气系统的设计方法和流程等，为下一步开发出可用于排气消声器设 计与性能预测的软件提供了重要依据。 关键词：排气系统；声场特性；模态分析；流场特性；设计流程 r e s e a r c ho nc a ea n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n t d e s i g no fa u t o m o b i l ee x h a u s ts y s t e m a b s t r a c t a u t o m o b i l ee x h a u s tn o i s ei so n eo ft h em a i nn o i s es o u r c e so fv e h i c l e s ，w h i l ee x h a u s t s y s t e m sp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e st h el e v e lo fe x h a u s tn o i s e t l l i sp a p e ra p p r a i s e dt h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ee x h a u s ts y s t e mb ys i m u l a t i o na n a l y s i so fac e r t a i na u t o m o b i l e e x h a u s ts y s t e m a n ds t u d i e dm u f f l e ra n de x h a u s ts y s t e md e v e l o p m e n ta n dd e s i g nm e t h o d s s i m u l t a n e o u s l y t h ea c o u s t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fe x h a u s ts y s t e mw a so b t a i n e db ye s t a b l i s h i n gt h e a n a l y s i sm o d e lo fe x h a u s ts y s t e m ，c a l c u l a t i n ga c o u s t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c su s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t i l e l l r e l a t i o n s h i pb e t w e e n 蚰n j c t u r ep a r a m e t e r so fp e r f o r a t e d t u b ea n dt r a n s m i s s i o nl o s so fm u f f l e rw a ss u m m e du p n l eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e so f e x h a u s ts y s t e mh a n g e rl o c a t i o nw e r er a i s e da f t e rc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o no fe x h a u s ts y s t e m b ym o d a la n a l y s i so ft h ee x h a u s ts y s t e m b e s i d e s ，t h es p e c i f i cd i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e ，f l o w r a t ea n dt e m p e r a t u r ei nt h ee x h a u s ts y s t e mw e r eo b t a i n e db ya n a l y s i so nf l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s ts y s t e ma n dt h ep r e s s u r el o s so fm a i nc o m p o n e n t sw a s c a l c u l a t e dq u a l i t a t i v e l y 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ea ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei n t h eo p t i m i z a t i o no ft h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ee x h a u s ts y s t e m a f t e rr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g np r o c e s so fe x h a u s tm u f f l e r , t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do ft y p i c a lm u f f l e rs 仃u c 船a n dt h ed e s i g nm e t h o d sa n dp r o c e s s e so f e x h a u s ts y s t e mw e r es u m m a r i z e d ，w h i c hp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s i s f o rd e v e l o p i n g s o r w a r eo fe x h a u s tm u f f l e rd e s i g na n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n k e y w o r d s ：e x h a u s ts y s t e m ；a c o u s t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c ；m o d a la n a l y s i s ；f l o wf i e l d c h a r a c t e d s t i c ；d e s i g np r o c e s s 插图清单 图1 1 汽车噪声的组成1 图2 1 排气噪声的控制方法6 图2 2 常见的阻抗复合式消声器8 图3 1 排气系统的三维几何模型1 5 图3 2 排气系统声场分析网格模型1 5 图3 3 排气系统流场分析网格模型1 6 图3 4 排气系统声场分析流程1 7 图3 5 排气系统的传递损失曲线1 7 图3 6 前消声器结构示意图18 图3 7 前消声器内部穿孔管结构图1 8 图3 8 不同孔径和孔距下消声器传递损失1 9 图3 - 9 不同穿孔率下消声器传递损失2 0 图3 - 1 0 不同穿孔板壁厚下消声器传递损失2 0 图3 11 改进前后消声器传递损失2 0 图3 1 2 排气系统有限元模型2 4 图3 1 3 排气系统前6 阶模态振型图2 5 图3 1 4 排气系统悬挂点优化布置图2 6 图3 1 5 排气系统压力分布图2 7 图3 1 6 局部压力分布图2 7 图3 1 7 前消声器x y 切面压力分布图2 8 图3 1 8 后消声器x y 切面压力分布图2 8 图3 1 9 排气系统速度矢量图2 8 图3 2 0 前消声器x y 切面速度分布图2 9 图3 - 2 1 后消声器x y 切面速度分布图2 9 图3 2 2 排气系统温度分布图_ 2 9 图3 2 3 前消声器x y 切面温度分布图2 9 图3 2 4 后消声器x y 切面温度分布图2 9 图4 1 某排气系统的组成图3 1 图4 2 排气系统的评价指标3 2 图4 3 消声器的设计要求3 3 图4 4 发动机排气噪声必需消声量的求解过程3 5 图4 5 消声器正向设计基本步骤3 6 图4 - 6 消声器正向设计流程图3 7 图4 7 消声器容积与消声器插入损失的关系图3 8 图4 8 消声器排气管径与排气噪声的关系图3 9 图4 9 阻性消声器示意图4 0 图4 1 0 扩张式消声器示意图4 1 图4 1 1 扩张比对传递损失的影响图4 1 图4 - 1 2 扩张室长度对传递损失的影响图4 1 图4 1 3 内插管单室的扩张式消声器示意图4 2 图4 1 4 共振腔消声器的主要结构形式4 3 图4 1 5 典型的同轴型共振腔消声器4 3 图4 1 6 排气系统开发设计流程4 6 表格清单 表3 1 流场网格质量标准1 6 表3 2 排气系统前6 阶固有频率及振型特征2 4 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及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 盒8 曼王些态堂 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 繇詹多哗 签字魄纠舟尹月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目里至些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金8 墨王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在懈密后适用本授权书) 学位论文作者虢彦结节 签字日恐易o 年归僭日 导师签 签字日 电话： 邮编： 日 致谢 时光如梭，转眼间研究生生活即将结束。在硕士论文即将完成之际，我谨 向所有帮助过我的师长、同窗和朋友们致以诚挚的谢意。 首先要感谢我的导师陈剑教授。在三年攻读硕士期间，陈老师无论是在学 习上还是在生活上都给了我极大的关心和帮助，使我得以顺利完成硕士研究生 阶段的学习和科研。陈老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术思想以 及积极进取的科研精神，深深地感染和激励着我。在课题研究过程中，陈老师 给予了我细心的指导和不懈的支持。陈老师以他独特的思考方式、丰富的实践 经验，解决了我所遇到的疑惑和难点。在此谨向陈老师表示衷心的感谢。 同时也要感谢噪声振动工程研究所诸位师兄弟的关心与帮助。感谢刘鹏飞、文 智明、郭付洋等，正是他们的帮助、协作以及对本研究提出的宝贵建议才让我 的论文得以顺利完成。 还要特别感谢我的家人，感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们对我的无 私奉献。没有他们的支持，就没有今天的我。 三年的硕士求学生涯，只是人生旅途中短暂的一段时光，但在这里所学到的 一切将让我终身受益，再次衷心地感谢所有帮助和关心过我的人们! 作者：李继锋 2 0 1 0 年4 月1 日 第一章绪论 随着汽车产业的迅猛发展，汽车数量的日益增多而造成的噪声污染问题， 已经成为影响人们生活的一大公害。特别是在人口密集的城市，汽车分布密集， 流量大，由此带来的噪声污染对人们的工作和健康造成了相当大的负面影响。 而在社会竞争日益激烈的今天，人们迫切需要一个安静舒适的休息和居住环境。 对此，世界各国都制订了相应的噪声控制法规来对车辆的行驶噪声进行严格限 制，对超过规定噪声限值的车辆是不允许销售的。 此外，由于城市生活节奏的日益加快，人们对汽车的依赖性越来越大，停 留在车上的时间也越来越长，因此顾客对车内安静和乘坐舒适度的要求也不断 提高，噪声过大的汽车，已很难被消费者乐于接受。噪声水平已经成为影响消 费者购买产品最重要的因素之一。汽车噪声的大小是衡量汽车质量水平的重要 指标，汽车噪声的防治也是世界汽车工业的一个重要课题，很多汽车企业都将 噪声作为评价汽车声学品质的一个重要性能指标。因此，如何降低汽车噪声， 提高汽车n v h ( 噪声、振动和舒适性) 的整体水平已越来越引起人们的重视。 1 1 汽车噪声的组成及危害 汽车是一个高速运动的复杂组合式噪声源。汽车噪声产生的原因主要包括 发动机和传动系统工作时产生的震动、高速行驶中汽车轮胎在地面上的滚动以 及车身与空气的作用。根据汽车噪声的来源，汽车噪声的组成如图1 1 所示。 汽车噪声 i 轮胎噪声i传动噪声lf 嚣f 气动哗声il 制动噪声j 空气动力表面辐射 学噪声噪声 进气噪声风扇噪声排气噪声 图l l 汽车噪声的组成 轮胎噪声是由汽车行驶过程中轮胎与路面摩擦所造成的，是构成汽车底盘 噪声的主要因素。通常轮胎噪声主要包括三个方面：一是轮胎花纹间隙的空气 流动和轮胎四周空气扰动构成的空气噪声：二是路面不平造成的路面噪声；三 是胎体和花纹部分震动引起的轮胎震动噪声。轮胎噪声一般是随着汽车速度的 不断提高，其对通过噪声的贡献比例也越来越大。车胎噪声的频率和大小主要 取决于车胎的轮齿宽度、深度、形状、轮齿间的距离、路面状况以及汽车的速 度等等。 传动噪声是由发动机引起离合器盖、变速器盖等产生震动而辐射出的噪声 以及齿轮啮合激振引起壳体辐射发出的噪声。其噪声源主要包括变速器、分动 器、传动轴、差速器和减速器等，这些噪声既有内部齿轮和轴承运转引起的， 也有其它机构传递来的。传动系统的噪声是在一辆车出厂前就已经决定，所以 很难通过后期的降噪措施得到根本性的改善。 气动噪声是指高速行驶中的汽车受其周围的风的作用而产生的噪声。其一 般分为以下三种：一是风噪。这是由于车身周围气流分离导致压力变化而产生 的噪声；二是空腔共鸣噪声。三是风漏。这是由于驾驶室及车身缝隙吸气而与 车身周围气流相互作用而产生的噪声。通常控制气动噪声的方法是在车门以及 引擎盖周围设计密封条，通过对不同车型的不同部位粘贴密封条，达到使开放 气流的背后不产生涡流，从而达到有效降低气动噪声的目的【2 】。 制动噪声一般是指制动器工作时产生的呜叫。汽车制动而产生的噪声主要 包括有制动器的尖叫声、轮胎与地面的摩擦声以及车身板件的震颤声等。对于 设计合理、装配精准和保养良好的制动器来说，其几乎是没有或只有很小噪声 的。通常控制制动噪声的方法是通过粘贴吸音棉或隔音板来减缓车辆紧急制动 时引起的车身板件震颤。 其中，发动机噪声是汽车的主要噪声源。发动机产生的噪声会透过壳体进 入大气。这种噪声直接与转速有关，一般频率比较低。它是由多种声源发出的 噪声组合而成的，主要包括空气动力学噪声和表面辐射噪声。其中空气动力学 噪声主要包括进、排气和风扇噪声。这是由于进气、排气和风扇旋转时引起了 空气的振动而产生的噪声，这部分噪声直接向周围的空气中辐射。而表面辐射 噪声主要是结构受到燃烧激振力和机械激振力的作用，产生表面振动而形成的 噪声【l 】。 噪声的危害是多方面的。它不仅对人们正常生活和工作造成极大干扰，影 响人们交谈、思考，影响人的睡眠，使人产生烦躁、反应迟钝，工作效率降低， 分散注意力，引起工作事故，更严重的情况是噪声可使人的听力和健康受到损 害。噪声的强度愈大、频率愈高、作用时间愈长，则危害愈严重【3 4 1 。 汽车噪声不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。汽车 给世界带来了现代物质文明，但同时也带来了环境噪声污染等社会问题。作为 汽车乘坐舒适性的重要评价指标，汽车噪声也会在很大程度上反映出生产厂家 的设计水平及工艺水平。因此，控制汽车噪声到最低水平也是汽车设计者追求 的方向。 2 1 2 汽车排气噪声的治理意义 目前，汽车噪声已经成为危害城市环境的重要因素。为了限制汽车的噪声， 国家已经制定了越来越严格的强制性噪声标准，汽车产业政策也规定未达到国 家法定排气噪声的汽车产品不得销售和使用，因此降低汽车噪声已经成为各汽 车生产厂家面临的一项重要课题。 汽车主要噪声源之一是汽车排气噪声，因此降低排气噪声是控制汽车噪声 的主要方式。在汽车没有安装进排气消声器时，汽车排气噪声是发动机最大的 噪声源，是发动机噪声中所占比例最大的一个，排气噪声一般比发动机其它噪 声都要高很多。排气噪声的大小决定着发动机的总噪声级，从而影响着汽车的 车内和车外噪声水平。有效的控制汽车排气噪声，对降低发动机的主要噪声起 重要作用。通常安装排气消声器是降低汽车排气噪声的一种最直接最有效的方 法。使用消声器虽然降低了汽车排气噪声，但却增加了发动机的排气阻力，也 对汽车的动力性和经济性造成一定的影响。因此，研制高消声和低阻力的消声 器对于降低汽车整车噪声起着至关重要的作用。 汽车排气噪声的降低，不仅能够为人们营造安静的休息环境，降低对人体 的伤害，而且能提高汽车企业的市场竞争力，为企业带来更大的利润。因此， 控制汽车排气噪声对消费者和生产企业都具有重要意义。 1 3国内外研究现状 面对噪声法规日益严格的要求和激烈的市场竞争，汽车工业面临着极大的 挑战，这引起了汽车厂家对排气噪声控制的极大关注。消声器是排气系统中降 低噪声的核心部件。我国对消声器的研究仍落后于许多国家，特别是在消声器 内部流场和消声器的动态特性上的研究方面。这是由于我国消声器研究起步比 较晚，对消声器的设计，特别是空气动力性能，缺乏严密的科学方法和设计理 论。不过现在也从开始的单纯考虑声学特性到考虑流速、温度等影响的过渡。 国外对消声器的研究侧重于声场和流场以及消声机理的研究，并且重点讨 论了消声器内部声场和流场的分布对消声器性能的影响。随着数值分析方法和 计算机的发展，已经能够通过建立相关的二维和三维有限元、边界元模型来进 行模拟计算。而在消声器的声学数值计算方法发展的同时，计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 在消声器内部流场分析中也得到了越 来越多的应用，它可以比较准确的分析消声器内的流速、温度和压力的分布情 况，将流场和声场分析结合来同时得到消声器的声学特性和空气动力特性。 通过总结国内外的研究概况，可以看出计算机仿真分析技术在消声器研发 设计和性能预测方面都已经得到了广泛应用。在消声器的设计与研制方面，由 于尚缺乏严密的科学计算方法和设计理论，还没有一套完善的可供实际应用的 计算公式，仅靠经验以及少量简单的试验来制造消声器，所以利用这种方法来 生产消声器盲目性比较大、可靠性低，而且开发周期长。但随着计算机仿真分 析的引进，就可以在以前经验设计的基础之上，实现传统的经验设计向精确的 理论设计过渡，很大程度上提高了设计的精度和功效。因此，如何将计算机仿 真技术更好的应用于消声器以及排气系统的开发设计和性能预测，已经为许多 国内外著名的汽车公司、研究部门和学者们所关注。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题是某s r v 整车n v h 正向设计及工程实施项目的一部分。通过对排气 系统的性能进行c a e 仿真分析，为消声器及排气系统的改进设计提供参考。同 时对排气系统的开发设计方法进行了研究，为下一步开发出排气消声器的设计 及性能预测的软件提供依据。主要研究内容包括： 1 首先总结了汽车排气噪声的构成和控制措施、各类消声器的消声原理以及用 于排气系统分析的基本声学理论和计算流体动力学理论，为下一步进行排气 系统的c a e 分析做理论基础。 2 根据排气系统的三维几何模型，应用前处理软件h y p e r m e s h 建立排气系统声 场和流场分析的计算模型。 3 应用声学分析软件s y s n o i s e 对排气系统进行声学性能分析，得到系统内的声 场分布特性，以此来评价排气系统的消声性能。研究穿孔管的结构参数、气 流和温度对消声器消声性能的影响。 4 对排气系统进行模态分析。通过研究排气系统的模态振型图，提出排气系统 悬挂点选取的优化措施。 5 利用计算流体力学软件f l u e n t 对排气系统进行流场特性分析，研究排气系统 内的压力、流速和温度的具体分布情况，定性的计算出各主要部件的压力损 失，为评价排气系统的空气动力性能提供重要参考，并提出一些可用于排气 系统流场特性优化的改进措施。 6 研究排气系统的开发设计方法。主要包括消声器的开发设计流程、典型消声 结构的设计与计算以及排气系统的设计方法和流程等方面。 4 第二章汽车排气噪声控制及分析的理论基础 2 1 汽车排气噪声基础 2 1 1 排气噪声的构成【6 】【1 2 】【3 1 】 。 排气噪声通常包括整个排气系统中各部件所产生的辐射噪声。发动机排气 噪声是由排气阀周期性开闭而产生的压力波动形成的，其一般包括基频排气噪 声、赫姆霍兹共振噪声、排气管道内气柱共振噪声、排气歧管处气流吹气声、 排气管内壁面处的摩擦及紊流噪声和废气喷注和冲击噪声等。 ( 1 ) 基频排气噪声 发动机在每一缸的排气门开启时，由于各缸排气是在指定相位上周期性进 行的，引起排气管内压力的周期性脉动，因而这是一种典型的周期性低频噪声。 基频与发动机的燃烧爆发频率相同，其基频噪声的频率为： 2 o f ( 2 - 1 ) 式中，n 为发动机转速，单位r p m ；z 为发动机气缸数；彳为冲程系数，四冲程f = 2 ， 二冲程f = 1 。 基频与发动机每秒钟的循环数相关，这种周期性的压力波，除了基频厂以 外，还存在着一些频率为厂整数倍的谐波成分。在发动机排气噪声频谱曲线上， 通常在2 厂、3 厂频率附近出现峰值，并且随着谐次的增高，噪声强度迅速降低。 ( 2 ) 赫姆霍兹共振噪声 对于单缸的发动机而言，当排气门为开启状态时，此时排气的气缸和排气 管二者相通，这就使得该气缸容积成为一个赫姆霍兹共振器，即发动机气缸中 的气体发生共振作用而激发出噪声。赫姆霍兹共振噪声同样在双缸、三缸发动 机有发生，但超过四缸以上的发动机，该噪声并不明显。在排气噪声频谱中， 赫姆霍兹共振噪声通常是不受发动机转速变化的影响。 ( 3 ) 排气管道内气柱共振噪声 在周期性排气噪声的影响之下，排气管道中的气柱将发生共振，从而产生 气柱共振噪声。在排气门关闭之时，排气管被视为一端封闭一端开启的管道， 它的共振频率是： = ( 2 肛1 ) 苦 ( 2 2 ) 其中，n = l ，2 ，3 ；c 为废气中的声速( m s ) ；l 为排气管管道的长度( m ) 。 ( 4 ) 排气歧管处的气流吹气噪声 对于多缸发动机而言，其工作时通常认为任何时刻都仅有一个气缸中废气 大量排出，其余各缸是关闭的。假定某一缸排出废气时，气流流向总管的同时， 也会吹向其它各管道的开口端，气流流速也随着曲轴转角发生大幅度的变化， 则会产生种周期性涡流。这种涡流将使排气歧管内气体产生压力波动，从而 激发出以高频为主的气流吹气噪声。 ( 5 ) 排气管内壁面处的摩擦及紊流噪声 在超临界排气阶段，排气门附近的一段气道内气体流动的速度接近当时声 速，此时废气的流动是紊流流动。紊流气体在排气道内壁面附近造成的涡流会 引起气体产生压力波动，从而辐射出宽带高频的紊流噪声。 ( 6 ) 废气喷注和冲击噪声 在自由排气阶段，排气门处会由于高速的气流喷注而产生强烈的喷注噪声。 在排气废气时，由于气体的粘性，会带动排气门后的气体一起运动，产生卷吸 作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，辐射出涡流噪声。另外，排气门处存 在着气体压力的不连续面，这种压力不连续会产生冲击波，从而产生冲击噪声。 废气喷注噪声与冲击噪声均为连续宽带的高频噪声。 2 1 2 排气噪声的控制 对汽车排气噪声的控制，通常采用的控制方法如图2 1 所示，主要从两个方 面采取措施： 一方面是对噪声源进行控制，即研究各种噪声产生的机理，从源头上控制 噪声的一种方法。但要真正有效的控制噪声源，其往往要通过改变发动机和排 气系统的一些结构设计来得以实现，而这又会对发动机的一些性能造成影响， 因此一定要综合考虑之后再采用。在对发动机和排气系统性能影响较小的情况 下，从噪声源上降低噪声通常采用的措施有：对排气支管管口以及各管的连接 处采用过渡圆角，减少管口处的尖锐部分，以此来尽量避免声共振作用；在对 排气门强度和刚度影响不大的条件下，尽量的缩小排气门杆直径等等【l2 1 。 图2 1 排气噪声的控制方法 另一方面的降噪措施是安装排气消声器。排气消声器的作用是通过大幅度 的衰减排气噪声向外环境辐射来降低排气噪声。通过在排气系统中安装合适的 消声器来控制排气噪声，是最有效、最简单，也是目前过国内外应用最广泛的 一种排气噪声控制的方法。 6 2 1 3 排气消声器的分类及原理【2 5 】 3 5 】 排气消声器的主要作用是降低发动机的排气噪声，并使高温废气能安全有 效地排出。消声器作为排气管道的一部分，应保证其排气畅通、阻力小以及足 够的强度。消声器按消声原理与结构可分为抗性消声器、阻性消声器和阻抗复 合型消声器三大类。不同种类消声器的消声原理和消声效果都不相同。 1 ) 抗性消声器 抗性消声器是在内部由通过管道、隔板等部件组成扩张室、共振腔等各种 消声单元，声波在内部传播时发生反射和干涉，而改变声波的传播特性和阻碍 声波能量向外传播，来达到降低声能量的消声目的。抗性消声器的消声频带有 限，通常对低、中频带消声效果好，高频消声效果差，货车多采用抗性消声器。 2 ) 阻性消声器 阻性消声器是一种能量吸收性消声器。通常在气。流通过的管道周围填充吸 声材料，当声波进入消声器中，会引起阻性消声器内多孔吸声材料中的空气和 纤维振动，由于摩擦和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，以此来 达到消声的目的。阻性消声器适合于消除中、高频率的噪声，消声频带范围较 宽，但对低频噪声的消声效果较差，单纯用作汽车排气消声器较少，通常与抗 性消声器组合起来使用。 3 ) 阻抗复合式消声器 阻抗复合式消声器是根据阻性与抗性的两种消声原理，通过把抗性消声单 元和吸声材料组合而构成的消声器。我们知道阻性消声器对中、高频噪声消声 效果好，抗性消声器适用于消除低、中频噪声。而在实际中碰到的噪声多是宽 。频带的，即高、中、低各频段的声压级都较高。鉴于阻性消声器和抗性消声器 各自的特点，常将它们组合成阻抗复合式消声器，以求同时得到高、中、低频 率范围内的消声效果。 常用的阻抗复合式消声器有“阻性扩张室复合式”消声器、“阻性共振腔复 合式”消声器以及“阻性扩张室共振腔复合式”消声器等。在噪声控制工作中， 对一些高强度的宽频带噪声，几乎都采用这几种复合式消声器来消除。图2 2 所示是常见的阻抗复合式消声器。 7 共振腔吸声材科 i 囝 凰墨如l + 雹辽壬十 吸声材料扩张室 图2 - 2 常见的阻抗复合式消声器 随着声学技术的发展，还有一些特殊类型的消声结构出现。如微穿孔板消 声器，这是一种特殊的消声结构，而且还是典型的阻抗复合式消声器。它利用 微穿孔板吸声结构而制成。通过选择微穿孔板上的不同穿孔率与板后的不同腔 深，可以在较宽的频率范围内都有很好的消声作用。因此，微穿孔板消声器能 起到阻抗复合式消声器的消声作用，目前已得到广泛的应用。 2 2 声学和流体动力学基本理论 2 2 1 声波方程 声波作为一种宏观的物理现象，应当满足牛顿第二定律、质量守恒定律和 描述压强、温度、体积等参数的状态方程这三个基本的物理定律1 3 】。为简化声 波的物理模型，对声波过程和媒质作如下假定： 媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性，声波在这种媒质中传播时没有 能量耗损： 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，同时媒质也是均匀的，即媒质中 的静压昂、静态密度p 。都是常数： 声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热过程，即媒质与毗邻部分不 会由于过程引起的温度差而产生热交换； 媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量。也就是说，声压p 远小于静压昂，即p p o ；质点速度“远小于声速c o ，即材 c o ；质点位移孝远 小于声波波长名，即孝 a ；媒质密度增量p 7 远小于静态密度岛，即p 7 p o 。 在这些假设条件下得出的结果，很大程度上与实际情况是相符的，即不失 其结果的普遍意义【4 】【6 1 。 ( 1 ) 运动方程 假设空间中的任意一点( x ，y ，z ) ，其在无声扰动的静态下的压强为昂、密度 为风，该点在受扰动后，它的压强变为只= e o + p 、密度变为p l = p o + p 。由牛 顿第二定律可得，在x 轴方向上的运动方程如下所示； 8 丑抛一( 丑+ 鲁出卜= 岛掀擘a t ( 2 - 3 ) 魄 式中鲁= 鲁+ 等叱+ 鲁v y + 警v ；，把其代入( 2 - 3 ) 式中，可得： 豢哪莘( 2 - 4 ) o t _ = - l = 一n _ o x a pa p 其中睾= 睾，密度改变量p 为微小量，则得： 竺：一风盟 ( 2 5 ) 瓦一岛言 屹。) 同理可以得出在y ，z 方向上的运动方程，最终的声学运动方程是： 即一风鲁 ( 2 6 ) 式中，v ：兰f + 昙j + 昙七，1 ，= v 工f + v j ，十v z k 。 僦们沈 ( 2 ) 连续性方程 假设空间中的一个微元体，其在x 轴的两个侧面上的介质流动速度是叱和 1 ，+ 鼍出，可得在x 方向上流入微元体和流出微元体的质量分别为岛，撇和 p 。( 匕+ 善出) 砂出，在x 方向上由于介质流动而产生的微元体质量的改变量是 一一孚d x d y d z 。由此同样可以得出在j ，和z 方向上产生微元体的质量改变量分 o 别为一p 。篓出妙出和一岛冬出痧出。由质量守恒定律可知，微元体质量的改变 是与微元体质量的变化率相等，得出： 咱( 芸+ 等+ 等卜咖比= 昙幻。搴抛) c2 州 把p l = p o + 代入其中，忽略高阶微量，得最终的声波连续性方程为： 一p o v v = 笔 8 ) o i ( 3 ) 物态方程 通常声波的传播速度要比热传播速度快很多，所以认为声波的传播过程为 一个绝热过程。对于一定质量气体，其绝热物态方程表示为： 丢= = 时 沼9 ， 9 其中，y 为气体的定压比热容和定容比热容之比。 把只= p o + 尸和p l = p 。+ p 代入( 2 - 9 ) 式中，对其右端进行泰勒级数展开， 忽略高阶微量，最后得出物态方程为： 只= c 。2 p ( 2 1 0 ) 式中c ：= r p o p o 。 ( 4 ) 波动方程 由( 2 - 5 ) 、( 2 8 ) 和( 2 1 0 ) 这三个介质基本方程，可以随意的消去p ，v ， p 中的任意两个变量。假如只考虑声波沿z 方向传播的情况，这样可以得： 风c ：鱼：一一o p ( 一1 1 2) p o c ；i2 一i 【l 。j 对此式中的，求偏导可得： c ：盟：一罂(212)po c i 丽一矿 l 玉 再通过计算，可得到x 方向上一维波动方程为： 箕：三箕 ( 2 1 3 ) 一：= 一一 l 二- 鼠2 c ：& 2 一 同理我们可以推出y 和z 方向上的波动方程，最终可表示为： 一风l 鲁z + 鲁，+ 鲁后l - 罢，+ 茜，+ 箸七 ( 2 州， 考虑矢量关系之后，就可以得出三维波动方程如下： v 2 尸：占箕 ( 2 1 5 ) c ；现 式中，v 2 为拉布拉斯算子，它在不同的坐标系下有不同的形式。如在直角坐标 系中，v 2 = 导+ 导+ 等。 2 2 2 流体动力学基本方程 任何流体流动，都必须满足物理学中的质量守恒定律、动量守恒定律和能 量守恒定律这三大守恒定律。在所有流动中，f l u e n t 都能够求解质量和动量守 恒方程。假如流动为湍流状态，此时系统还要遵循附加的湍流输运方程。这些 守恒定律的数学描述要通过控制方程1 5 】，各控制方程如下所示： ( 1 ) 质量守恒方程 质量守恒定律是指在单位时间内，流体微元中质量的增加等于在同一时间 间隔内流入该微元体的净质量。据此可推出质量守恒方程如下： 型+ 劐+ 判：o ( 2 1 6 ) 苏 咖 瑟 l o 其中，p 为流体的密度，z ，l ，w 为速度矢量u 在x ，y ，z 各方向上的分量。 ( 2 ) 动量守恒方程 动量守恒定律也是指微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在 该微元体上的各种力之和。对于任何的流动系统，都要满足该定律，它实际上 就是牛顿第二定律。据此定律可推导出，在x 、y 、z 三个方向的动量守恒方程 分别为： 掣+ d v 妇) ：咖泌础) 一挈+ s x ( 2 - 1 7 ) o t劣 掣砌咖) 柏以g r a d v ) 一孚o v + s y ( 2 - 1 8 ) o f 。 掣- i - d v 伽) ：破，( 胂咖) 一挈+ s ： ( 2 - 1 9 ) o t 彩 其中，g r a d ( ) = + + 为梯度，s x 、s y 、最为动量守恒方程的广义源 项。 ( 3 ) 能量守恒方程 能量守恒定律是指微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上 体力与面力对微元体所做的功。对于有热交换存在的流动系统，一定要满足此 基本定律。由此定律，可以得到以温度t 为变量的能量方程如下所示： 掣+ 咖= 挑匕舢卜 2 。， 其中，c 。为比热容，t 为温度，k 为流体传热系数，s r 为粘性耗散项。 2 2 3 湍流模型的选用及控制方程5 】 湍流是一种无序运动，是常见的一种流体流动状态。对于带有旋转流动结 构的湍流，称之为湍流涡。目前还是完全清楚湍流流动的内部的形成机理，也 很难对其运动过程进行精确地描述，因为它是一种非线性的复杂流动。而对于 排气系统中气体的流动，其实际上可以看作是湍流运动。工程上常用的办法是 利用湍流模型来对湍流进行模拟。湍流流动模型很多，大致归纳为以下三种： 第一种是湍流输运系数模型，是b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年针对二维流动所提 出的，将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。 即： 一p 丽= 以鍪 ( 2 - 2 1 ) 推广到三维问题，若采用笛卡儿向量表示，即有： 一p 珥硝陪+ 鼍 - 詈肚岛 c 2 啦， 模型的任务就是给出计算湍流粘性系数从的方法。根据建立模型所需要的 微分方程的数目，可以分为零方程模型( 代数方程模型) ，单方程模型和双方程 模型。 第二种是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联 量的输运方程。 第三种是大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行 统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过 修正的n a v i e r s t o k e s 方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上 述的模型。 实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原 则是精度要高，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。其中最为广泛 采用的是双方程模型中的k 一占模型。 标准k s 模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精 确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程 得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准 k s 模型只适合完全湍流的流动过程模拟。 标准k 一占模型的湍动能k 和耗散率方程为如下形式： p 等= 毒+ 箦 善l + g k + q - 胪一 艺3 ， 户告= 毒 ( + 箦) 毒卜g f 妻c 瓯+ c 3 。g b ) - c 2 e p 譬c 2 圳， 在上述方程中，g 。表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，g 。是用于浮 力影响引起的湍动能产生；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响， 鸬= 。l 是湍流粘性系数。 在f l u e n t 中，作为默认常数值，c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，c = 0 0 9 ，湍动能 k 与耗散率的湍流普朗特数分别为o k = 1 0 ，吒= 1 3 ，可以通过调节“粘性 模型 面板来调节这些常数值。 1 2 2 3c a e 技术及其应用 2 3 1c a e 技术简介 随着科技的不断发展，同时产品也在朝着多样化、智能化和复杂化的方向 发展。对于复杂的项目或工程，人们借助计算机辅助工程，即c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) ，可以对产品进行精确的设计，分析和试验。由计算机技术 和工程分析技术相结合而成的c a e 分析技术，其在三维建模的基础之上，从产 品的设计初期，根据实际情况进行结构仿真分析、设计以及综合评价，可以从 众多方案中选出最优方案。 在工程应用中，要对某产品或项目进行c a e 分析，c a e 软件是必不可少 的，它是c a e 技术的载体。通常c a e 软件分为专用软件和通用软件。专用软 件是对特定的对象进行相应的性能分析、预测以及优化的软件。通用软件是指 能够对多种对象的物理、力学性能进行相应的分析、预测、评价和优化的软件。 一般用于c a e 的大型通用商业化软件有h y p e r w o r k s 、s y s n o i s e 、 f l u e n t 、a d a m s 以及a n s y s 等。 2 3 2c a e 技术在汽车行业中的应用 汽车行业在中国已经进入高速发展期，各汽车企业竞争也日趋激烈。汽车 生产厂推出新产品的速度越来越快，而c a e 技术在汽车行业的应用水平也在逐 步提高。 目前c a e 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c a e 技术相比并论。 c a e 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 c a e 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c a e 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。 通过对这些关键部分的c a e 仿真分析，可以在概念设计阶段就把握好产品 各个方面的性能。这对于汽车行业来说极为重要，因为问题发现越早，解决问 题的代价就越低，给企业所带来的经济效益就越可观。 此外，c a e 仿真技术的应用也使产品开发能力大幅度提高。在传统的产品 开发设计过程中，有很多问题在设计阶段不能够被精确地分析，所以在确认阶 段浪费了大量资金和研发时间。c a e 技术的应用改变了传统的设计方法和流 程，使汽车产品的大多数问题都可以在设计阶段通过仿真得到解决，从而提高 了设计质量和效率，大幅度降低了开发时间和费用1 9 】。 1 4 第三章排气系统性能的c a e 仿真分析 3 1 排气系统模型的建立 3 1 l 三维几何模型 本文研究的排气系统主要包括排气歧管、波纹管、催化器、前消声器和后 消声器等部件。图3 1 为该车排气系统的三维几何模型。 后消声器 篓鬈笛誉：；净 图3 - i 排气系统的三维几何模型 其中，前消声器为阻抗复合式消声器，由3 个穿