汽车排气系统的CAE分析与优化设计

董凯军

摘要：针对汽车排气系统对车身噪音和振动方面的影响因素进行综合分析，构建汽车排气系统的三维结构模型，使用CAE软件模拟设计汽车排气系统中发生的断裂现象，并使用有限元法分析汽车排气系统的结构，对事故原因进行有效分析并解决，完善优化关键结构设计，使用试验车辆耐久性的方式验证其优化方案的可行性。

关键词：汽车排气系统；CAE分析；优化设计

前言：汽车的主要振动方式是其排气系统，汽车在日常运行过程中，发动机会对汽车排气系统定期作用激振力，进而对汽车排气系统的可靠性能和使用寿命造成一定的不良影响。而CAE工具的使用可有效辅助汽车产品的设计工作，包含汽车研发过程中的设计校核、三维设计、整车造型以及零件加工等方面，可为实际的汽车研发工作提供相应的数据和经验。

1、CAE技术的实际作用和汽车排气系统概述

1.1 CAE技术的实际作用

汽车排气与排气系统内的各个零件分析工作、计算工作、设计工作具有十分密切的联系，使用CAE技术能全面反映排气系统中的所有特性，从而选取与发动机更为匹配的排气系统产品。使用的CAE技术具有以下几方面实际作用：首先，在汽车研发过程中使用CAE技术可有效降低其设计周期，并在汽车建模和分析工作中使用参数化造型和实体造型，极大便利了参数和模型的修改过程，从而进一步降低确定合理结构参数所需要的工作时间。其次，可有效降低汽车研发成本。在汽车研发过程中，使用CAE工具可有效分析汽车中相应零部件的功能，研发费用相较于室内试验和道路实际试验要低很多。最后，在汽车研发过程中使用CAE软件，可对汽车中的零件进行有效优化，从而为用户研发出性能更为出色的零件和汽车产品。在使用CAE工具前，应注意以下两方面内容：第一，应熟练掌握CAE技术的使用方式。第二，应提供基本的数据库和相关实验数据。相关实验数据是指各项材料的特性和道路特性等数据。数据库应包含汽车企业在进行汽车研发过程中所积累的数据。目前，在汽车排气系统CAE分析工作中，边界条件和模型建立过程中还存在许多问题，其分析准确性会对仿真结果造成一定程度的影响，缺乏相应的验证。因此，在对排气系统进行仿真分析时，应全面分析考虑耦合作用的因素，例如：消声器和发动机的耦合、气流对排气系统的冲击与振动等因素，都有可能对排气系统造成一定的不良影响，可以对排气系统开展流固与声固的耦合分析，做好排气系统的模拟工作。

1.2汽车排气系统分析

收集废气并将其进行排放的系统是汽车排气系统。汽车排气系统包含排气尾管、排气歧管、消音器、排气管、温度传感器和催化传感器等设备。汽车排气系统的功能是排放发动机运行过程中的废气，达到减少废气污染、降低噪音的目的。排气系统的外观虽然比较简单，但在研发过程中需要考虑排气系统中的管径大小、管道长度、消声器的大小以及汽车底盘布置，同时还应充分考虑汽车排气系统中气体的流动性，避免出现相邻气缸排气时两者气流相互影响的现象。在排气总管中，将安装电喷发动机的氧传感器，它会受汽车排气中氧分子的影响，并将其反馈至电控单元，迸入发动机内的混合气体比例。

2、汽车排气系统的CAE分析与优化设计方式

2.1系统疲劳耐久性分析

汽车排气系统的疲劳耐久性是指汽车排气系统承受各种破坏方式的承受力，包含热疲劳和结构疲劳。排气系统中，对耐久性影响最大的因素是结构疲劳，它与汽车排气系统材料、安装方式、固定方法和自身结构等因素联系较为密切。在汽车排气系统中，在系统前排使用排气歧管，与发动机连接，在另一端使用挂钩和车体进行连接，在设计工作中，应确定挂钩的位置，并且不能随意修改其位置。在优化过程中，要想有效提升其排气系统的耐久性，就应注重排气系统相关材料和结构设计工作。应研究某一车型的排气系统CAD模型，构建汽车排气系统的应力分析模型，对其进行结果分析，使用Goodman平均应力修正法将其传至MSC.Fatigue分析软件中，对汽车排气系统的寿命和疲劳值进行有效分析，得到数云图，可直观观察汽车排气系统中有限元模型上各个节点的疲劳与寿命数据。由此找到应力较大的位置和寿命较短的位置进行有效对应，其位置一般处于前消声器段上挂钩、管焊接处、前消声器段、后消声器段连接法兰处等。分析后可得知实际寿命与设计寿命的差距，并对排气系统结构进行合理优化，确保其更加坚固耐用。

2.2有限元模型和汽车排气系统模型的构建

在构建有限元模型时，应考虑定位参数、特性参数的具体情况。特性参数包含排气系统中管体、筒体金属材料的厚度、发动机的质量、橡胶吊耳缝特性、波纹管刚度和密度等。定位参数包含汽车发动机的排气系统位置、悬置位置、质心位置等。在构建流场分析网格模型时，流场分析的计算域就是汽车排气系统中的空腔。在对模型网格进行划分时，应对汽车排气系统的内部构造进行科学有效的简化处理，从而保证模拟结果具有较高的真实性。在划分混合网格模型时，网格类型包含棱柱形四面体、棱柱形五面体、棱柱形六面体。一些较为简单的催化器、排气管部件、波纹管主要使用结构化六面体网格，较为复杂的前消声器和后消声器中主要使用非结构化的四面体网格，该方式不仅可有效提高计算效率，还能确保计算精度。在对模型进行划分时，应对网格质量进行有效控制。

结语：汽车发生振动时，最先感受到的就是汽车排气系统，排气系统作为汽车振动最敏感的部位，对其进行优化设计是很有必要的。针对使用柴油机发动机的汽车，要在设计中重视内部结构的设计，要合理选择吊挂形式和排气系统吊挂点，不能进行随意更改。同时，要积极学习CAE工具的使用方法，将其很好的引入汽车排气系统的优化设计中，从而有效降低汽车的开发成本，避免排气系统发生故障，进而提高汽车的使用寿命。

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