汽车排气系统的CAE分析与优化设计

张正华，程利辉，杨书建，刘炳寅

(1.河南交通职业技术学院，河南郑州 450005；2.郑州日产汽车有限公司，河南郑州 450016)



汽车排气系统的CAE分析与优化设计

张正华1，程利辉2，杨书建2，刘炳寅2

(1.河南交通职业技术学院，河南郑州 450005；2.郑州日产汽车有限公司，河南郑州 450016)

给出汽车排气系统对车身振动、车辆噪声等性能的影响因子，建立某柴油汽车排气系统的三维模型，并利用该模型用CAE软件对该汽车排气系统设计过程中出现的断裂情况进行模拟，利用有限元法对排气系统结构进行分析，找出事故原因，并对关键结构进行优化，最后通过实车耐久试验对优化方案进行了验证。该方法为汽车排气系统设计过程中CAE工具的应用提供了参考。

汽车排气系统；断裂；CAE分析；优化

0　引言

利用CAE工具对汽车进行辅助设计得到了广泛应用,涵盖了汽车设计和制造的各个环节,包括汽车的设计校核、整车实体造型、车身的三维设计、汽车零部件的数控加工、整车的振动和疲劳分析、以计算机仿真技术代替实车测试和破坏性碰撞试验等。

CAE技术在汽车产品优化设计过程中的作用集中体现在以下3个方面：

(1)CAE技术极大地缩短了汽车的设计周期，在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，为模型和参数的修改提供了便利，最终大大缩短了确定合理结构参数所需的时间。

(2)节省开发成本。在汽车设计过程中，使用CAE工具对整车及相关零部件的各种性能进行分析的费用远远低于道路实车试验和室内台架试验所需的费用。

(3)采用CAE软件对整车和零部件进行优化，有利于开发出性能更为优越的汽车和零部件。当然，从实际应用的情况来说，要想充分发挥CAE的作用，需要依赖于两个重要条件：一是需要熟练掌握CAE技术；另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据，是指道路特性数据、各种材料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数的数据库。

1　排气系统结构分析

汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统。排气系统一般由排气歧管、排气管、催化转换器、排气温度传感器、汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染物减少、噪声减小。

某项目柴油汽车排气系统的最初设计模型如图1所示。

车辆在耐久试验过程中出现了后级催化器后法兰断裂的情况，断裂位置如图2所示。

分析断裂原因为系统振动过大造成。而发动机怠速、路面不平度和气流振动激励是导致排气系统振动的主要原因。结合此项目，怠速振动为造成该事故的因素。排气系统的怠速振动主要是由发动机怠速工况下的往复惯性力激励产生，其频率与车辆搭载的发动机气缸数和怠速转速有关。

四冲程发动机激振频率计算公式为：

(1)

其中：n为发动机转速(r/min)；M为发动机的气缸数目。

2　排气系统的CAE分析与优化

2.1排气系统模型处理

采用5mm的Shell单元对排气系统的管件和各支架进行网格划分，各管件间的缝焊采用壳单元进行模拟，管件和接头间的部分焊缝采用三棱柱单元进行模拟。排气系统中的波纹管采用Cbush单元进行模拟。催化器内部的质量按均布的方式添加在相关管件上。此排气系统有限元模型如图3所示。

将发动机和变速箱简化为一个位于其质心处的质量点，发动机和变速箱的悬置装置采用CBUSH单元进行模拟。催化器开裂位置和对发动机的模拟如图4所示。

2.2部分有限元模型的材料特性

排气系统中管件材料为SUH441，三元催化器壳体材料为SUH409L,橡胶材料件为丁苯橡胶，材料属性见表1。其他钢质材料力学参数按常用值选取。

表1部分组件材料属性

2.3分析工况

计算工况共3种，详细参数如表2所示。

表2　计算工况

2.4分析结果

两级催化器与发动机和变速箱的连接有3个位置，如图5所示。

位置1和2为硬连接，位置3为软连接。下面分别分析位置3为软连接和硬连接时的应力结果。位置3采用软连接的计算结果如表3所示，位置3采用硬连接的计算结果如表4所示。

对以上两种连接形式进行比较，结果如表5所示。

表3　位置3采用软连接的计算结果

表4　位置3采用硬连接的计算结果

表5　位置3采用不同连接形式的应力比较

通过以上对比发现：

(1)当位置3采用硬连接时，3种工况下排气系统的最大应力虽比采用软连接升高，但最大值108MPa小于125MPa(认为催化器高温条件下，材料屈服强度下降到常温下的50%，250×50%=125MPa)，满足使用要求;

(2)后级催化器后端(即耐久试验中断裂处)位置3采用硬连接时比软连接时的应力下降30%以上，采用硬连接比较合适。

将位置3改为硬连接后进行实车耐久试验，没有出现断裂情况，说明此结构满足使用要求。

3　结论

排气系统是整车振动的最敏感区域，尤其对于柴油发动机的车型，因此在设计前期应该重点考虑其结构形式，慎重选择排气系统吊挂点及其吊挂形式，利用CAE工具对排气系统进行分析和校核，可避免在设计冻结后排气系统出现问题，节约了汽车的设计制造成本,避免了后期的质量问题。

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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

张正华(1982—)，硕士研究生，讲师，研究方向为机械制造及其自动化。E-mail：57308965@qq.com。

U463;U464.134+.4

A

1674-1986(2016)07-047-04