車輛的主要振動(dòng)方式是其排氣系統(tǒng)，汽車在日常運(yùn)行中，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽車排氣系統(tǒng)起到一定的激振作用，而且行駛路面不平穩(wěn)也會(huì)對(duì)汽車排氣系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，汽車排氣系統(tǒng)在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的激振力。通過(guò)懸掛鉤子的方式作用于汽車車身，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的NVH性能產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家的研究重點(diǎn)逐漸集中在如何解決汽車消聲器設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題上。利用CAE工具可以有效地輔助汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，包括設(shè)計(jì)校核、三維設(shè)計(jì)、整車造型、零件加工等環(huán)節(jié)，可以為實(shí)際的汽車研發(fā)工作提供相關(guān)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

一、CAE與汽車排氣系統(tǒng)的實(shí)用功能。

1、CAE技術(shù)的實(shí)用性。

車輛排放系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在研發(fā)過(guò)程中，與排氣系統(tǒng)各部分的分析工作、計(jì)算工作、設(shè)計(jì)工作有著非常緊密的聯(lián)系，利用CAE技術(shù)能夠全面地反映排氣系統(tǒng)的所有特性，從而選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)更匹配的排氣系統(tǒng)產(chǎn)品。應(yīng)用CAE技術(shù)在實(shí)際汽車研發(fā)過(guò)程中具有如下實(shí)際作用：一是應(yīng)用CAE技術(shù)可以有效地縮短汽車開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)周期，將CAE技術(shù)應(yīng)用于汽車建模與分析工作中的參數(shù)化造型和實(shí)體造型，大大方便了參數(shù)和模型的修改，使確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需的時(shí)間進(jìn)一步縮短。二是可以有效降低汽車研發(fā)成本。利用CAE工具可以有效地分析汽車各部件在汽車研發(fā)過(guò)程中的作用，其研發(fā)費(fèi)用比室內(nèi)試驗(yàn)和道路實(shí)際試驗(yàn)要低很多。利用CAE軟件，在汽車研發(fā)過(guò)程中可以有效地優(yōu)化汽車零部件，從而為用戶研制出性能更好的零部件和汽車產(chǎn)品。

應(yīng)用CAET工具前，應(yīng)注意兩方面的內(nèi)容：一、要熟練掌握CAE技術(shù)的使用方式。其次，提供基本數(shù)據(jù)庫(kù)及有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括各種材料特性、道路特性等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該包含汽車企業(yè)在研發(fā)過(guò)程中積累的數(shù)據(jù)。當(dāng)前，在汽車排氣系統(tǒng)CAE分析工作中，邊界條件和模型建立過(guò)程中還存在著很多問(wèn)題，其分析的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，缺乏相應(yīng)的驗(yàn)證。為此，在對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)全面分析考慮到耦合的因素，如消聲器與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合、空氣對(duì)排氣系統(tǒng)的沖擊與振動(dòng)等因素，可對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行流固與聲固的耦合分析，并對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2、汽車排氣系統(tǒng)的分析。

一種收集廢氣并排放的系統(tǒng)是汽車尾氣系統(tǒng)。汽車消音器、排氣管、溫度傳感器、催化傳感器及其它裝置。其主要作用是排放發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的廢氣，達(dá)到減少尾氣污染、降低噪聲的目的。雖然排氣系統(tǒng)的外形比較簡(jiǎn)單，但在研制過(guò)程中，需要考慮排氣系統(tǒng)中的管徑、管長(zhǎng)度、消聲器尺寸和車架布置等因素，同時(shí)也要充分考慮汽車排氣系統(tǒng)中氣體的流動(dòng)，避免相鄰氣缸排氣時(shí)兩種氣流相互影響的現(xiàn)象。排放總管中，安裝電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的氧傳感器，受到汽車排氣中氧分子的影響，并反饋給電子控制單元，使之進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣體比例。

二、汽車排氣系統(tǒng)CAE分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1、系統(tǒng)疲勞壽命分析。

據(jù)汽車消聲器廠了解到，疲勞耐久性是指汽車排氣系統(tǒng)承受各種破壞方式的承受力，包括熱疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞。在排氣系統(tǒng)中，對(duì)其耐久性影響的是結(jié)構(gòu)疲勞，它與汽車排氣系統(tǒng)材料、安裝方式、固定方法、自身結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。對(duì)于汽車排氣系統(tǒng)，在系統(tǒng)前端采用排氣管，與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端用鉤子與車體連接。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確定掛鉤的位置，且不可隨意更改。為了有效地提高其排氣系統(tǒng)的耐久性，優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)著重于排氣系統(tǒng)相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。針對(duì)某一車型的排氣系統(tǒng)CAD模型，建立了汽車排氣系統(tǒng)的應(yīng)力分析模型，并用Goodman平均應(yīng)力修正法將其傳遞到MSC.Fatigue分析軟件中，有效地分析了汽車排氣系統(tǒng)的壽命和疲勞值，得出數(shù)云圖，可以直觀地觀察汽車排氣系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命數(shù)據(jù)。

因此，找出應(yīng)力較大位置與壽命較短的部位有效對(duì)應(yīng)，其位置一般在前消聲器段、管焊處、前消聲器段、后段接法蘭部位等。通過(guò)分析，可以了解實(shí)際壽命與設(shè)計(jì)壽命之間的差距，并合理優(yōu)化排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其更堅(jiān)固耐用。

2、建立有限元模型及汽車排氣系統(tǒng)模型。

建立有限元模型時(shí)，應(yīng)考慮其定位參數(shù)、特征參數(shù)等具體情況。特征參數(shù)包括排氣系統(tǒng)中的管體、筒體金屬材料的厚度、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、橡膠吊耳、波紋管剛度和密度等。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的定位參數(shù)包括排氣系統(tǒng)的位置、懸置位置、質(zhì)心位置等。建立流場(chǎng)分析網(wǎng)格模型時(shí)，流場(chǎng)分析的計(jì)算范圍是汽車排氣系統(tǒng)的空腔。當(dāng)劃分模型網(wǎng)格時(shí)，要科學(xué)、有效地簡(jiǎn)化汽車排氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而保證仿真結(jié)果的真實(shí)性。混合網(wǎng)格模型的劃分可分為棱柱四面體、棱柱形五面體和棱柱形六面體。有些比較簡(jiǎn)單的催音器、排氣管部件、波紋管主要采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，較復(fù)雜的前消音器和后消音器采用無(wú)結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，這種方法不僅能有效提高計(jì)算效率，而且能保證計(jì)算精度。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)有效地控制網(wǎng)格質(zhì)量。

3、總結(jié)。

在汽車的振動(dòng)中，排氣系統(tǒng)是敏感的部位，對(duì)于使用柴油機(jī)的汽車車型，在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)計(jì)，并對(duì)懸掛形式和排氣系統(tǒng)吊掛點(diǎn)進(jìn)行合理選擇。應(yīng)該將CAE分析用于檢驗(yàn)和分析工作，以降低汽車研發(fā)成本，防止排氣系統(tǒng)失效，提高汽車使用質(zhì)量。