汽车排气系统的三维设计和有限元分析

汽车排气系统的三维设计和有限元分析

魏江文

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥230601

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ANSYSWORKBENCH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

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，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。

1排气系统的功能和设计

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。

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。在排气系统的设计中，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90o，控制在135o—180o左右为宜。

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90o，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90o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ugnx8对排气消声器进行建模，其步骤大致分为一下三个部分：

①排气管的建模

②消声器的建模

③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2.5mm，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ugnx8.0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M10螺栓连接的，而我们并没有对螺栓施加预紧力，所以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1所示。

图1排气系统装配图

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：

①导入模型

②定义材料属性

③划分网格

④施加载荷

⑤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ugnx8.0和AN-SYSWORKBENCH,在ANSYSWORKBENCH中嵌入了ugnx8.0的接口，所以在UG中建立的模型可以直接导入到ANSYSWORKBENCH中，无需其它的转换。

3.2定义材料属性

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7830KG/M3。

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2所示。

图2排气系统的划分网格图

3.4施加载荷

由于这里考虑的是排气系统自身重力对其的影响，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

通过对排气系统的等效应力的分析，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σ=9.76×105Pa，最大应力发生在排气管与发动机连接的弯曲处。

结论

本文在利用ugnx8.0的建模功能，在对某公司生产的微型卡车的排气系统进行建模的基础上，利用ANSYSWORKBENCH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，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。

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，2001年.

[2]张宏波.车用排气消声器的设计研究[D]．北京：北京理工大学，2005．

[3]吴永桥.汽车排气总管的静力分析和模态分析[J].武汉汽车工业大学学报，2000,22(1),10—13.