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汽车排气系统的三维设计和有限元分析张光慧 1万茂林 2黄磊2（1 合肥工业大学机械与汽车工程学院2 武汉理工大学汽车工程学院)摘要排气系统是车辆的重要组成部分，负责发动机尾气排放。它的降噪、尾气净化和压力 损失等问题已被广泛的关注，但其静力学特性却没有引起足够的重视。传统的排气系统 同发动机和车体相连，排气系统的静力学特性的好坏对排气系统的寿命有较大影响，影 响到汽车的整体性能以及人们对车辆的主观评价。在使用 UG 建立排气消声器模型后， 利用 AN SYS WO R KBEN CH 对所建立的排气消声器模型进行静力学分析。通过该分析 为消声器的设计提供理论依据以及方法。关键词：排气系统静力学分析建模些因素都或多或少对排气消声器产生了一定的影响。本文主要考虑由于自身重力的作用对排气消声 器的寿命的影响。以往对排气消声器寿命影响因素的分析是基 于许多排气系统实体的实验数据的基础上进行的， 现在随着各种三维设计软件和分析软件的发展，我 们可以在排气消声器设计过程利用三维软件对其 进行建模，利用 CA E 软件进行有限元分析，这样可 以使得设计人员设计出更好的产品，而且大大节约 了制造成本和缩短了生产周期，对现代企业是一个 很好的选择。引言当今社会汽车已成为人们生产和生活中必不可少的交通工具。汽车工业的发展水平已成为一个国 家现代化程度的重要标志之一。发动机作为车辆的 心脏，通过燃烧燃料提供动力，使车辆成为满足人们 需求的动力系统。发动机在向车辆提供动力的同时， 燃烧燃料产生大量的尾气，包含 CO (一氧化碳)、H C（碳氢化合物）、N O X(氮氧化物)、PM (微粒和碳烟)等 有害气体，对大气造成污染；同时由于发动机在运行 的过程中机械噪声、气体动力噪声和燃烧噪声的存 在(现代内燃机噪声级一般为 85110D B)，严重影 响了车辆乘坐的舒适性。为了降低发动机排放对环境和乘员造成的不良 影响，排气系统作为一个重要的组成部分被引入到 车辆中来。它的主要作用是将发动机工作时产生的 废气经过处理排出并且降低排气噪声。它的质量的 优劣直接关系到车辆的动力性、舒适性和排放标准， 另外，它对发动机的效率和使用寿命也会产生影响。所以排气系统甚至是评价整车性能的一个标 准。而排气系统的寿命与许多因素有关，比如：路面 激励、车速、悬架系统、自身设计、发动机振动等，这1排气系统的功能和组成随着空气污染的日益加剧，汽车的排放问题越来越被人们所关注，排气系统作为汽车排放气体的 最后一道过滤系统，自然在汽车的污染物排放过程 中起着非常重要的作用。排气系统的主要功能是排放和降噪，排气系统 主要由：排气管、消声器和尾管组成。随着世界各国 对汽车尾气排放的要求日益提高，各汽车生产商也 通过安装各种各样的装置来降低汽车排放的尾气 中污染物的含量。如：三氧催化器、碳罐等。而且对8技术纵横轻型汽车技术2012（4）总 272于某些大功率的发动机，由于噪声比较大，往往汽车生产商会外加一个副消声器以满足法规对噪声排放 的要求。一汽红塔某微型卡车的排气系统是单级排气系 统，主要由排气管、法兰、消声器和尾管组成。因为该 排气系统主要安装在微型卡车上，介于国家卡车排 放法规和成本的双重考虑，所以本没有安装三氧催 化器，如图 1 所示。排气系统看似只是简单的管道，实际设计中不仅要考虑到特定的底盘布置，同时排气系统的长 度、管径大小、消声器的大小等，还要考虑到排气气 体的流动特性，防止背压过大，增加功率损失。因此 排气系统设计是车辆设计的重要一环。1.1排气系统设计与布置日益严格的排放法规和人类环境意识的增强 对汽车节能净化提出了高标准的要求，而排气系统 作为现代内燃机动力车辆的一个重要组成，其性能 直接决定了发动机压力损失以及污染物和气动噪 声的排放量，因此如何对排气系统进行有效的设 计，如何使其与发动机合理匹配等，就成为现代汽 车节能与净化的关键技术之一。在该排气系统的设计中，由于发动机的布置原 因，导致发动机的排气口是水平方向，所以与发动 机排气口相连接的排气管必须也设计成水平方向， 由于该型车的车架悬挂点不足，所以在放置消声器 时只能悬挂在特定的几个地方，而发动机的排气孔 又是水平方向的，这就必然导致排气管通过弯曲的 方式来满足排气系统布置上的要求。但是为了保证 排气管中气体流动顺畅，排气管的弯曲幅度不宜太 大，而且太大容易导致弯曲处外侧比较薄弱，容易 发生断裂现象，所以一般弯曲角度必须大于 90 度，图 1 排气系统的组成排气管多用铸铁制成也可以是镀铝或镀锌钢 材，更好的也可能是用不锈钢材料，它的功能是将发 动机燃烧产生的废气排到大气中。该排气系统的排 气管用铸铁制成，左端通过法兰与发动机排气口连 接，右端通过法兰与消声器连接，壁厚约 2.5m m ,质 量大约 1.95K G 。消声器是车辆内燃机排气系统广泛采用的消声 装置。按照消声器的消声机理，可以分为阻性消声 器、抗性消声器和阻抗复合式消声器三类。阻性消声 器是在管道内布置吸声材料，部分吸收管道中传播 的声能，这类消声器对中、高频范围内有良好的消声 效果。抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道，如 穿孔板、穿孔管和共振腔的适当组合，噪声声波在系 统中传播时阻抗失配，使声波在管道和共振腔内发 生反射或干涉，从而降低它输出的声能。由于它的消 声效果随频率而变化，又称为声学滤波器。抗性消声 器的消声频率较窄，在中低频消声效果较好，高频较 差。该消声器用 45 钢制成，壁厚为 1.5m m ,质量大约 为 3.85K G ，内部布置有穿孔板、穿孔管和共振腔，使 得声音在其内部传播的过程中发生干涉，从而起到 降噪的作用。内部结构如图 2 所示。控制在 135 180 左右为宜。该排气消声器的设计图如图 3 所示。图 3 排气消声器设计图1.2问题的提出及研究意义由于该排气消声器在使用过程中易出现断裂 破坏情况，极大地影响了排气系统的使用寿命，影 响了整车的使用。所以为了提高整车性能和缩小使 用过程中的故障率，找出该排气消声器破坏的原因 和提出该问题的解决办法成为本文考虑的关键。经过对已破坏排气消声器样本检测发现，经常 出现断裂的位置大致都集中在排气管两端弯曲处 和消声器两端，而且裂口形状较为平整，具体位置 如图 4 所示。图 2 消声器的内部结构图轻型汽车技术2012（4）总 272技术纵横9排气管的建模消声器的建模排气系统的装配2.1排气管的建模排气系统除排气组件外，大部分都是由排气管 组成。排气管管壁较薄只有 2.5m m ，为了满足排气系 统的布置要求和降低气体流速的需要，一般排气管 都是呈弯曲状。2.2消声器的建模消声器是排气系统的重要组件，用来将发动机 的排气噪声降到可以接受的等级，通常位于排气系 统的中部和后部。消声器内部结构复杂，一般由消 声腔、进气管、排气管、穿孔板、穿孔管等组成。由消 声器内部结构图可知，消声器的进气管和排气管均 不在消声器中心线上，所以这里我们采用消声器 壳、穿孔板、进气穿孔管和排气穿孔管分开建模的 方法，最后，通过装配图使其装配成消声器，这种拆 分式建模法对内部结构较为复杂的模型比较适用， 这样不仅可以对每个零部件进行单独编辑而互不 影响，而且也比较符合实际情况。2.3排气系统的装配排气系统由消声器和排气管组成，通过螺栓连 接起来，在排气系统的装配之前，我们需要创建一 个垫片,防止气体在排放的过程中出现漏气现象。在 装配过程中所用到的螺栓和螺母由于均为标准规 格，所以可以在 U G N X 6.0 的标准零件库中调用。至此，排气系统的建模过程全部完成。由上面 整个排气系统的建模过程，我们可以知道，对于一 个较为复杂的零件来说，我们要建立它的模型并不 是那么简单，需要考虑的地方还是比较多的，而且 在整个建模过程中，我们并没有对该模型添加任何 物理特性，比如：弹性模量、刚度、密度等，而且观察 装配图不难发现，图中排气管与消声器是用 M 10 螺 栓连接的，而我们并没有对螺栓施加预紧力，所以图 4 排气消声器破坏示意图由图中所示几处断裂点以及裂口形状可大致推出可能由以下几个原因导致断裂：路面激励导致排气消声器振动破坏；发动机振动引起排气消声器的振动破坏；由于该排气消声器本身的质量分布不均，导 致某些地方出现疲劳断裂。本文主要从排气系统自身重力对其的影响出 发，通过使用 U G N X 6.0 对该排气消声器建模。通过 使用 A N SY S W O R K BEN CH 12.1 对该排气系统进行 静力学，得出排气系统自身重力对其产生的等效应 力云图，求出最大应力值和发生部位。对排气系统进行建模和静力学特性研究可以更 准确地对排气系统的静力学特性进行预测，并对其 结构参数进行修改，更好地满足设计和使用要求。2排气消声器的建模排气系统是车辆动力系统的重要组成部分，气体经由排气管、消声器和尾管后排入大气中，本次建 模应该满足如下要求：1.尺寸应尽量做到精准，因为排气管和消声器 尺寸的变化都会引起振动强度等不同程度的改变。2.在接口处应做到密封性良好，因为如果接口 直接存在较大缝隙，会出现漏气的可能，这对整个排 气系统性能的影响是巨大的，大大地降低了排气消 声器的降噪能力；而且易出现涡流现象，阻碍排气。3.在弯曲处应尽量做到平滑过渡，且控制弯角 必须大于 90 度，因为如果管道不平滑，容易产生应 力集中现象，在弯曲处将更容易出现疲劳断裂；而弯 角如果小于 90 度将出现“气阻”现象，不利于气体 的排放。4.在某些接触面应采用面倒角，避免接触处出 现应力集中。本文使用 U G N X 6 对排气消声器进行建模，其 步骤大致分为一下三个部分：图 5 排气系统装配图10技术纵横轻型汽车技术2012（4）总 272通过整个建模过程可知，该模型要用来进行分析还必须对其施加约束和物理特性参数。建好的排气系 统模型如图 5 所示。响，外在只有排气消声器的重力。排气系统通过悬挂装置将排气系统与车架连接在一起，所以排气系 统在消声器与车架连接处固定，而且排气系统通过 螺栓连接与发动机固定在一起，故排气管与发动机 连接处也可以认为是固定的。3.5分析结果由以上分析我们可以得到排气系统的等效应 力云图，见图 7。通过对排气系统的等效应力图的分 析，我们可以得出排气系统在自身重力作用下所受 到的最大应力为 =9.76105Pa，最大应力发生在 排气管与发动机连接的弯曲处。3排气系统的有限元分析在对排气系统建模完毕之后，我们需要对排气系统进行有限元分析，即静力学分析，分析该排气系 统在受自身重力作用的情况下，排气管和消声器各 个部位的强度问题，为设计提供理论依据。对排气系统的静力学分析大致分为如下几个步 骤： 导入模型定义材料属性划分网格施加载荷求解和分析结果3.1导入模型由于本文中所使用的软件为 U G N X 6.0 和 A N - SY S W O R K BEN CH , 在 A N SY S W O R K BEN CH 中嵌 入了 U G N X 6.0 的接口，所以在 U G 中建立的模型可图 7 排气系统等效应力云图4结论以直接导入到 A N SY S W O R K BEN CH的转换。3.2定义材料属性中，无需其它本文在利用 U G N X 6.0 的建模功能，在对一汽红塔公司生产的微型卡车的排气系统进行建模的 基础上，利用 A N SY S W O R K BEN CH 对建立的排气 系统模型进行了受自身重力影响下的静力学分析， 得出了排气系统应力等效应力分布图。为该排气系 统的精确设计和修改提供了更为有效的理论依据。由于该模型是由排气管和消声器两部分组成，所以需要分别为其设置材料属性，均为 45 钢，弹性 模 量 为 2.1 1011Pa， 泊 松 比 为 0.3， 密 度 为7830K G /M 3。3.3划分网格由于导入的排气系统是装配体，在对其划分网 格之前，我们必须先对排气管和消声器定义接触方 式，定义完后选择自由划分网格，即可对排气系统进 行网格划分了。排气系统的划分网格图如图 6 所示。参考文献1黎志勤. 汽车排气系统噪声与消声器设计M.北京：中国环境科学出版社，1