基于Nastran的某商用车排气系统性能仿真研究

喻涛 欧阳路华 陈明亮 黄勤

摘 要：文章采用Nastran和HyperMesh软件，对某商用车排气系统进行了CAE強度分析、吊钩、消声器筒体、排气系统整体模态分析、排气系统流体性能分析，CAE分析结果表明，排气系统各项性能结果满足设计目标要求。

关键词：商用车;排气系统;性能研究

中图分类号：U464.134+.4  文献标识码：B  文章编号：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

随着国家城市物流业快速发展，商用车销量得到迅猛增长，而使用客户对于整车舒适性、NVH性能要求也越来越高。排气系统整车的重要组成部分，其主要由催化器转化器、消声器、排气管、吊钩等零部件组成，该系统发挥着降低噪声、减少排放污染等作用，其性能优劣直接影响整车NVH性能[1-3]，故研究排气系统各项性能指标具有重要的经济和社会意义。

本文采用Nastran和HyperMesh软件，对某商用车排气系统进行了CAE强度分析、吊钩、消声器筒体、排气系统整体模态分析、排气系统流体性能分析，多方面校核了排气系统性能，以实现设计目标达成。

2 排气系统CAE强度分析

2.1 排气系统有限元模型

本文采用Hyperworks和Nastran求解软件，对某商用车排气系统进行建模，网格尺寸大小4mm，模型质量为42kg，本体材料为Q235，波纹管刚度参数如表1，橡胶吊耳刚度参数如表2，排气系统 FEA模型如图1所示。

2.2 排气系统CAE强度分析

本文首先对排气系统进行1g自重分析，以校核吊钩强度，约束排气系统固定安装位置全自由度，计算结果如图2所示，其中吊钩A-G所承受的吊挂力汇总如表3所示，满足目标要求（吊挂力<50N），排气系统最大下陈位移为4.1mm，其位置位于出气弯管区域，满足目标要求（最大位移<5mm）。

本文对排气系统进行了Z向5g静力场强度分析，分析结果如图3所示，最大应力位置为排气系统的环形焊缝区域，其值为19.3MPa，远小于材料屈服强度，满足目标要求。

3 排气系统CAE模态分析

3.1 吊钩模态分析

本文对吊钩A-E进行了约束模态分析，对每个吊钩都约束了两端管路，吊钩模态分析结果如图4，模态汇总结果如表4，吊钩模态都满足目标要求（大于140Hz）。

3.2 消声器筒体模态分析

本文对消声器筒体进行了约束模态分析，其结果如图5所示，前消声器一阶模态频率为2695Hz，后消声器一阶模态频率为656Hz，满足目标要求（>400Hz）。

3.3 排气系统整体模态分析

本文对排气系统进行了整体约束模态分析，其结果如图6，一阶垂向弯曲模态为23.9Hz，一阶水平弯曲模态为19.3Hz，二阶垂向弯曲模态为29.8Hz，二阶水平弯曲模态为34.9Hz，满足设计目标要求（大于15Hz）。

4 排气系统CAE流体分析

4.1 排气系统背压损失分析

本文对排气系统热端进行了CFD背压损失分析，分析结果如图7所示，在排气流量700kg/h@800度时，热端背压损失为52.2KPa，满足目标要求（大于49KPa）。

4.2 排气系统流动性能分析

本文对排气系统进行了流动性能分析，如图8，预催载体流动均匀系数为0.98，满足载体均匀性系数大于0.9的目标要求。

5 结论

本文基于Hyperworks和Nastran软件，对某商用车排气系统进行了CAE强度、模态、流体性能CAE分析，CAE分析结果表明，自重工况下，吊钩力都小于50N，Z向5g工况下，排气系统最大应力为19.3MPa，远小于材料屈服强度，吊钩约束模态、消声器筒体模态、排气系统整体模态结果都满足目标设计要求，CAE流体分析结果表明，排气系统热端背压损失为52.2KPa，大于目标值49KPa，预催载体流动均匀系数为0.98，总体而言，排气系统CAE验证了其性能满足设计目标，且最终路试和台架试验验证通过。

参考文献

[1] 刘志恩，伍杨民等.某乘用车排气系统低背压设计与优化[J].数字制造科学，2019，17（3），167-169.

[2] 陈家瑞.汽车构造[M]北京：机械工业出版社，2009.

[3] 赵凤启.某乘用车排气系统流场的分析研究[D]南京：南京理工大学，2013.