汽车排气管设计与热分析

汽车排气管设计与热分析,汽车,排气管,设计,分析 目录 I 目录 摘 要 .III ABSTRACT.IV 1 绪论 1 1.1 课题研究背景 .1 1.2 课题研究的意义 .1 1.3 排气系统设计的总趋势 .2 1.4 本章小结 .2 2 汽车排气系统理论基础 3 2.1 汽车排气系统的基本要求 .3 2.2 排气系统的结构组成及其结构 .3 2.3 排气歧管 .3 2.4 排气管 .4 2.5 消声器 .5 2.6 催化反应器 .5 2.7 排气尾管 .6 2.8 排气管道的悬置安装 .6 2.9 本章小结 .6 3 排气系统的设计 7 3.1 排气歧管的设计 7 3.2 消声器 9 3.3 排气管 .11 3.4 本章小结 .11 4 排气系统的建模 .12 4.1 SOLIDWORKS简介 .12 4.2 排气歧管的建模 .13 4.3 消声器的建模 .14 4.4 本章小结 .15 5 排气管内部气体模拟仿真 .16 5.1 FLUENT 简介 16 目录 II 5.2 模拟约束条件的确定 .16 5.3 模拟控制 .16 5.4 排气管内部温度场模型的建立 .17 5.5 排气管内部压力场模型的建立 .18 5.6 排气管内部速度矢量模型的建立 .19 5.7 仿真结果分析 .20 5.8 本章小结 .21 总结与展望 .22 参考文献 .23 致谢 .25 摘要 III 汽车排气管设计与热分析 摘 要 本文主要研究了汽车排气系统的设计与热分析内容，首先在绪论中对课题 研究产生的背景，对社会的意义，以及总体概括了排气系统在设计方面的大体 趋势。理论分析了排气系统的各方面的基本要求，排气系统的总体结构组成及 构造，对排气歧管、排气管、消声器、催化反应器以及排气尾管的结构与要求。 紧接着是对排气系统的设计，运用大量的计算公式数学模型确定好排气歧管的 直径、长度，以及消声器的容积、进口直径、消声器直径与长度的确定。利用 Solidworks 对排气系统整体及排气歧管、消声器进行建模。最后用 Fluent 对 排气系统进行流场分析，包括对排气系统的温度分布，压强分布，流速分布做 出相应的分析，并检验其结果是否有偏差。 本文是基于 EA14 四缸发动机这款发动机，设计了排气系统，并对排气系统进 行了建模，然后对排气系统进行了流场分析，主要针对的是温度，压强，流速 的分布对排气系统内部气体的流动状态进行分析。结果表明，在排气管横截面 积发生突变的位置，气体的温度、流速、压强均发生明显变化，主要对排气的 弯管处设计做出了详细的对比分析，以达到优化设计的目的。 关键词：排气系统；构造；建模；流场分析；气体 Abstract IV Automotive exhaust pipe and thermal analysis Abstract This article mainly studies the design and thermal analysis content of the automotive exhaust system. First of all, in the introduction, the research background, the significance to the society, and the general outline of the exhaust system design are summarized.Theoretical analysis of the basic requirements of all aspects of the exhaust system, the overall structural composition and construction of the exhaust system, and the structure and requirements of the exhaust manifold, exhaust pipe, muffler, catalytic reactor, and tailpipe.Followed by the design of the exhaust system, a large number of mathematical formulas for the calculation formula were used to determine the diameter and length of the exhaust manifold, as well as the volume of the muffler, the diameter of the inlet, and the diameter and length of the muffler.Using Solidworks to model the exhaust system as a whole and exhaust manifolds and mufflers. Finally, using Fluent to analyze the flow field of the exhaust system, including the temperature distribution of the exhaust system, pressure distribution, the distribution of the flow rate to make a corresponding analysis, and test whether the results are biased. This article is based on the EA14 four-cylinder engine, designed the exhaust system, and modeled the exhaust system. Then the flow field analysis of the exhaust system was performed, mainly focusing on the distribution of temperature, pressure, and flow velocity. The flow state of the gas inside the exhaust system is analyzed. The results showed that the gas temperature, velocity, and pressure all changed significantly at the abrupt changes in the cross-sectional area of the exhaust pipe. A detailed comparative analysis of the design of the exhaust pipe at the exhaust pipe is made to achieve the purpose of optimizing the design. KEYWORDS: Exhaust System; Structure; Modeling; Flow Field analysis; Gas 第 1 章 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 在当今社会中，新能源汽车的开展工作日益壮大起来，人们对于新能源有着诸多的 期许，由于大家关于环境爱护的看法越来越重视了。所以在这种大环境下，排气系统在 设计方面，应该愈加注重于减排减震方面；排气管在对气体进行热分析方面，调查者发 动机的功用有着重要的作用。 关于汽车排气管在汽车身上的作用，具备减振降噪的作用，从而延伸了排气消声器 系统的利用寿命。汽车排气管的材质普遍分为普通钢和不锈钢制品。对于典型的汽车， 汽车排气产生的噪音可能会使发动机因离开引擎时的压力而使人感到不适，此时，主消 声器是汽车的排气管，消声器装置在车内，能够大大减少汽车的噪声。汽车的消声器主 要可以用来减小发动机的排气噪声，并使高温排气可以安然有效地排放。消音器是排气 管的延长，应确保发动机能排气顺畅，强度足够，阻力较低。消声器能够接受 500C 至 700C 的高温状态下排出气体，以确保在规范的汽车里程内不会损坏或打消其消声的问 题。其主要任务原理是经过多个通道转移气流使气流分流。这些分流仅能看到相互之间 的摩擦，而且空气的流速逐步减小，这种反复的循环招致废气经过汽车的排气管流出， 导致降噪，以便达成日常汽车降噪的问题 1。 关于发动机排气组件中的气体形态的参数是温度，压力和流速。研讨排气管内气体 的压力，温度和流速从而提升发动机的动力性，经济性和发动机排放特殊性十分重要。 此外，对于排气管内部气体形态的研讨可为发动机排气组件的设计和改善提供重要的理 论依据。其中，发动机的排气温度是象征发动机燃烧特性的重要参考。同样类型的汽油 机在相同的负荷和转速条件下，排气温度低表示燃料燃烧愈加及时和安全，发动机的动 力和经济性会更好 2。依据气体的形态方程，气体的温度和压力十分相关，因而排气歧管 中的气体压力对排气温度有重要影响。 1.2 课题研究的意义 汽车的排气系统是对发动机研讨的重要组成内容。汽车排气系统由排气歧管，排气 管，排气温度传感器，催化转化器，汽车消声器和尾管组成，它是可以进行搜索和排放 废气的系统。汽车的排气系统能在把发动机排出的废气排出，与此同时能使排出的废气 污染减少，从而产生的噪音也减小了。关于排气系统的连接问题，它的一端连接到发动 机，而另一端则通过钩子连接到车身 3。在车辆行驶期间发动机的扭转波动将激发排气系 统的一部分模态并且通过排气系统到达车身吊耳处，这些振动会使车辆的舒适性受到极 大的影响。振动的另一个来源是通过车轮激发路面，这也会导致车身振动问题。排气系 统的吊耳用于隔离从排气系统到车身的振动传递，而柔性部分主要控制从动力总成传递 到冷端振动，起隔振作用。近年来，人们对汽车的舒适性提出了新要求，从而对汽车振 第 1 章 绪论 2 动和噪声管制的钻研显得越来越重要，我们对排气系统的研究更加具有现实意义并且会 更好地改善人们出行环境的更多方面。在对汽车排气管内部的气体形态进行了分析研究 后，发现可了解到管内气体形态的变化如果在不同的发动机转速条件下进行研究的话。 可借助对排气管的内部气体形态的剖析来对发动机的性能做出评价。为了施展发动机的 最佳功用，改良了排气总成的构造，减小排气的背压，并为最佳总效率提供了理论依据。 基于对国内外对排气管内现有气体形态的研究，并基于排气管内的气体活动形式，使用 恰当的软件对排放物进行模拟分析，对温度场中的流速，温度值和压力进行模拟计算 4。 在确定模型的可靠性的基础上，预测并计算排气管内的排气状态。联合有差别的工作条 件，确定排气管内部的气体形态。 1.3 排气系统设计的总趋势 排气系统设计的原则是实际上减少了发动机排气管的回压。所谓的排气回压是指汽 车发动机的正常排气，因排气管内的压力障碍了排气脉冲的力，使得排气不顺畅。减少 废气回压的方法是通过改变工作使发动机的进气和排气尽可能平稳，从而可以进一步延 长进气和排气的重叠时间。在发动机的所有运行条件下，将进气和排气系统和气体声学 特性和动力学特性的实际情况可组合为一个总体程序。因此，计算气缸内的循环热进程 和气体动力循环进程以及经过阀门的空气活动，而且在随后的歧管和进排气系统中海浪 的运动趋势，使得发动机功能，燃料经济性能，并完成污染排放最佳的均衡状态。 1.4 本章小结 本章主要阐述了汽车排气系统的发展背景，阐述了研究的方向和意义。该课题的主 要内容包括有：基于 EA14 四缸发动机，设计并建模了排气系统，然后将该模型用于热分 析。 第 2 章 汽车排气系统理论基础 3 2 汽车排气系统理论基础 2.1 汽车排气系统的基本要求 1)一定要符合发动机的要求例如功率损耗等。 2）由于各种原因排气系统中的元件不得承受太大的压力。 3）排气系统必须能够防范任何方式进入发动机或增压器的水。 4）排气必须要扩散，以免对其他方面产生不利影响。 5）排气系统必须能够按照相关规定的要求减少发动机产生的噪音 5。 2.2 排气系统的结构组成及其结构 排气系统主要由发动机排气歧管、消声器、排气管、催化反应器、排气温度传感器 等组成（如图 2.1） 。 图 2.1 排气系统的组成 2.3 排气歧管 排气歧管连接到发动机的汽缸体，并且来自每个汽缸的排气被集中并且通过单独的 管线引入排气歧管。其主要要求是尽量缩小排气阻力从而能够成功防止气缸之间的彼此 干扰。当排气过度集中时，气缸之间会发生相互干扰。也就是说，当某个气缸排气时， 刚巧遇到未从其他气缸孔排出的排气 6。废气的阻力就会增多，从而会造成降低发动机输 出功率的问题。处理问题的方式是尽可能区分开每个气缸的排气，每个气缸一个分支或 两个气缸的一个分支，并尽可能长地使每个分支独立，以减少有差异管中的气体彼此作 用。 第 2 章 汽车排气系统理论基础 4 排气歧管就应该推测到发动机功率性能这方面内容，发动机燃油经济性能，排出废 气要符合标准，发动机的成本等。目前遍及应用的排气歧管在材料与加工方面分为两种 类型，铸铁歧管和不锈钢歧管这两种类型。排气歧管的作用是收集来自多缸发动机气缸 的排气并将其引入排气歧管。为了减少汽缸内的残余废气，设计排气歧管时需要注意两 点： 为尽量防止支管急速转弯，内表面保持润滑，从而减小排气流动阻力; 多缸机应该防止各缸之间的排气相互干扰，从而减小排气压力波的干扰。 排气歧管在使用中的可靠性比发动机的性能更重要。排气歧管一般处于交替的冷热 工作形态在汽车行驶过程中。不正确的设计可能会导致排气歧管塑性变形。在严重的情 况下，排气管和气缸盖不能密封以泄漏空气，或者歧管裂开。设计中还应该考虑到构造 的多变性与合理性，多余的排气歧管可以分段进行 7。 排气歧管的设计应该是十分专业的，因为它是发动机的重要组成部分。排气歧管与 发动机的原始参数相匹配（如表 2-1 所示） 。在发动机运行的过程中，它经过柔性法兰或 弹性波纹管与排气管连接，迸发出来的废气经过排气歧管再进入到排气管。 表 2.1 发动机原始参数 型号 EA14 结构形式 直列、四缸 进气形式 自然进气 排气门外径 60mm 气缸数 4 排量 1.4L 最大功率转速 6000rpm 最大功率 74kw 最大扭转转速 3500-4500rpm 配气机构 DOHC 2.4 排气管 排气管可以排出发动机在运行过程中所迸发出的废气作为它的主要性能。由于排气 管自身的重量和惯性，弯曲力矩以及热膨胀引起的相对运动或变形，排气管不会影响到 涡轮增压器和排气歧管的正常运转，从而导致因额外的过载应力而损坏。因此，在设计 中，应该尽量减小排气管的重量，在满足强度和刚度的前提下，排气管的材料可选用不 锈钢板或者薄壁中碳钢板。是否可以增大辅助支架用来固定住排气管若排气管太长时候， 从而缩小排气管对发动机涡轮或排气歧管增压器形成的扭矩和弯曲力矩的影响。然而， 这样做将会对排气管的法兰的运动自由度造成影响。不仅如此，会在排气管路中使用热 第 2 章 汽车排气系统理论基础 5 补偿装置来减小排气管的因热膨胀产生的应力。常见的热补偿装置有这两种形式：第一 种是挠性联锁连接器; 第二种是弹性波纹管。这两种热补偿装置都有各自独特的优势 8。 弹性波纹管的价格较贵、热性能较差，在这方面比不上挠性联锁连接器，但其密封性好。 对于热补偿功能和使用寿命的问题，挠性联锁管比弹性波纹管会更好，但与此同时挠性 联锁管的密封功能却不是很好。设计时根据具体要求选择。排气管背压是除了应力外在 设计过程中需要考虑的重要因素。除此之外，会直接影响发动机的运行情况的还有排气 背压的产生。还有种情况也会对发动机的输出功率带来很大的影响，就是当背压到达相 对一定水平时仍存在细微的增减的时候。在设计过程时，为了防止对发动机运行情况形 成影响，排气背压必须控制在汽车发动机的许可范围内，可以从以下方面采取相应方法： （1）在发动机排气歧管的出口侧放置消声器，不能让排气管太长。 （2）排气管通常使用薄壁中的不锈钢卷管或碳钢卷管，可以十分有效地减少排气管 的重量以及使得排气管拥有较好的耐腐蚀性能，管径可设置的较大会更好。 （3）尽可能地缩小排气管发生弯曲的程度，更要避免 90弯曲的情况。 可以设计 一个大弧形的过渡用来减少排气产生的阻力。 （4）合理选择消声器 9。 2.5 消声器 为了降低汽车发动机产生的噪音，可用汽车的消声器来减轻其程度。由于汽车排气 管是通过两根不同长度的管道组成的，消声器可根据这条信息进行工作。由于两条管道， 两条管道分开然后相交。长度差等于汽车发出的声波波长的一半，当这样进行叠加干预 时，两列声波可以彼此相互进行抵消，从而就削弱了声音强度，减少了传播的声音，进 而产生了消音效果。 排气消声器是一种十分有效的容许气流经过的装置，同时还能够缩小或打消排气噪 音。这是一种主要措施来达到管控气流噪声。消声器在要求的频率领域内应具备较小的 电阻损耗和较大的降噪功效。同时，消声器的构造应合理简单，体积小而耐用。通常， 之所以会选择圆柱形消声器，是因为圆柱形消声器能够很有效率地克制气流产生的振动， 从而可降低经过平面气流发出的噪音，所以圆柱形消声器具备很好的降噪功能。当然也 能够选择双层消声器因为它的消音效果更明显的，但价格较贵。它可以考虑在高档乘用 车的设计中。 能依据相对应的发动机来确定消声器的类型和尺寸。发动机适用的排气管直径通常 在发动机参数表中进行相互对应。一般情况下所选消声器的口径参数可用这个直径数据。 消声器所采用的应该是拥有很强腐蚀功效的材料。在设计过程中应该最先想到不锈钢和 中碳钢材料。同时，还必须想到消声器所需要空间的大小，允许承受的背压值以及经济 性能，美观性能，有效性能，使用的寿命与环境方面的保护等因素。 第 2 章 汽车排气系统理论基础 6 2.6 催化反应器 安装称为“催化转化器”的净化废气系统，是为了缩小由汽车排放的废气形成的空 气污染问题。催化转换器的位置是安装在底盘下方或者排气歧管下方，因而它们必需可 以承受振动和高温的恶劣环境。可以使用由铁素体不锈钢箔制成的金属载体作为催化载 体。因其热比热容小，热冲击特性小才使用铁素体不锈钢箔片。金属载体是由不锈钢制 的外壳和不锈钢箔制的蜂窝芯组成。通过卷起扁平箔材料的起伏箔片材料并通过钎焊等 将其粘合来制造蜂窝上的芯部。壳体要求具备高温耐盐和高温强度可加工性。 2.7 排气尾管 发动机尾管的设计必需要合情合理，从而必须保证车辆排出的废气不会被吸入到空 气过滤器中或是吹到车身上，而导致影响发动机的工作进程。尾管设计的美观性和合理 性会对汽车的整体的外观和质量造成影响。在设计排气尾管时，需要将排气排气口设计 为 45 度向下歪斜的开口或“鸭嘴”线的开口，能有效地限定排气的排气方位。 2.8 排气管道的悬置安装 排气管道的悬置是由两部分组成，一种是在消声器上的悬置安装，一种是在排气管 道上的悬置安装。排气管道的悬置安装是要能够承受住将整个排气系统的重量并恰当地 把重量传递到车架上去。在此处的设计时需要注意以下方面的问题： (1)在设计消声器的悬置安装时候，必须强烈意识到发动机与车辆在高温高负荷和产 生的振动负荷时会很容易发生损坏变形，而悬置装置必须防止这类情况的产生。 (2) 汽车在猛烈行驶过程中会发生强烈振动，故需要悬置的支架有足够的刚度与硬度 来防止因汽车的猛烈振动而使汽车变形的情况。 (3) 在汽车行驶过程中会产生大量的振动情况，所以设计支承的时候，减震性是不可 忽视的，减震性可以减小因汽车振动而传达到消声器与排气管上，同时，悬架装置需要 具备一定的自由度 10。 2.9 本章小结 本章主要进行理论分析，主要包括排气系统设计理论。在排气系统的设计中，描述 了排气系统的组成和功能，排气歧管，消声器，排气管，悬架装置的设计要点和注意事 项。 第 3 章 排气系统的设计 7 3 排气系统的设计 3.1 排气歧管的设计 排气歧管的设计主要针对的是排气歧管的整体规划，排气歧管直径 dp 和每个气缸排 气歧管的长度 Li。 3.1.1 排气歧管的布置 为了打消各缸的排气存在干扰程度，图 3.1 为设计的排气歧管结构布置示意图。 图 3.1 排气歧管的结构布置示意图 由上图可看出，1，2，3,4 缸是分开连接的，然后再汇总到一个管道的，这样设计的 目的是减小各缸之间的对彼此可能会造成的影响 11。由图我们还可以得到的信息，1 缸与 2 缸距离很近，依次类推，这样可以降低彼此之间的干扰因素，可以使得排气系统的排气 更加的充分彻底，从而减少了缸内的废气残留量。所以，这样设计十分合理。 3.1.2 排气歧管内径的确定 排气门呈现最大横截面时与排气管的横截面积必须要维持着必然的比值关系，从而 能缩小排气过程中会出现的损失，其测验公式为 12： （3-1） 取下限 1.1。 式中， 排气管截面积pf 3.1maxBpf 第 3 章 排气系统的设计 8 排气门开启最大时的截面积 )cosin(cosmaxmaxax BBBB AhDAhif maxf 排气门个数， = 1i 排气门外径， =60mmBDB 排气门最大升程， =（0.30.35） maxhmaxhBD 取 = 0.35 = 18.9mmaBB 排气门锥角， = 45ABA 经计算 =1749.47 ， =1924.42 ，maxBf2pf2m5.49ppfd 取 50pd 3.1.3 确定各缸排气歧管长度 改进之后，尽管邻近工作气缸的影响很小，但是如果某个气缸的排气门及时赶上从 其他气缸的排气传递的压力的峰值，则气缸的排气将会也受到影响。因此，在确定排气 歧管直径后，要确定合适的排气管长度，以便每个气缸在排气过程中，管道具有较低的 压力值，以利于通风，提高排气效率。排气管的长度应符合以下测试公式 13： （3-2） 50312paLn 式中 排气管中的气体音速，pa smTapp7201. 排气管中气体的绝对温度，取 925KT 经计算 ， 。mnLp3.012minLp5.012ax 参考同类机型，根据结构布置得各缸排气歧管长度： ， ， ， .50.143.25.0mL304 3.1.4 排气歧管的材料 为了提高排气歧管的高温强度并延长其使用寿命，排气歧管设计材料为不锈钢。排 气歧管所采用的不锈钢分为两种，分别是铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢 第 3 章 排气系统的设计 9 的耐氧化性能相对于奥氏体不锈钢要强的多。而奥氏体不锈钢的氧化性又比铁素体不锈 钢的强，而且它的高温强度也较好 14。铁素体不锈钢拥有较小的热膨胀系数，所以它的 疲劳特性较优秀，所以我们常用体素体不锈钢制作排气歧管。 3.2 消声器 3.2.1 消声器的结构形式 根据发动机型号为 EA14 四缸发动机,它是轿车发动机，而轿车的噪音频带大多为低 频带。通常阻力消声器对频率较低的噪声衰减有良好的效果，因此选择耐磨消声器。阻 力消声器是经过隔板等在内部构成消音单元（例如膨胀室，共鸣室等）的消声器（图 3.2） 。当声波通过这些消声器单元时，声波在传播过程中被反射并被反射。干扰，降低 声能达到目标 15。 图 3.2 抗性消声器结构图 3.2.2 消声器容积的确定 众所周知消声器容积计算公式如下 16： （3-3）irvnQVst10 式中：V消声器容积； n发动机的转速，n=6000r/min ； i缸数，i=4； r冲程数，r=4 ； 发动机排量， =1.4L；stvstv Q与消声程度有关的修正系数，可取 Q=26(取 Q=5.8)，对消声器所起 的效果期待越高，Q 越大。 第 3 章 排气系统的设计 10 故 V=9.8L 3.2.3 消声器进口直径 消声器进口直径 的计算公式：iD （3-4）max31027.VQi 式中：Q进口位置的排气流量，I/s； 容许最大气流的流速，140m/s 。maxV 进口位置排气流量能够经过发动机进气流量 公式预算：tQ （3-5）cstinVQ03. 式中：n发动机的转速，6000r/min; 充量系数，取 0.86。c 可计算出 I/s。72.16i 排气流量计算公式： （L/s） （3-6）)3()23(sihTQ 式中： 进口处排气温度，取 400； 进气温度， 40；s 取 0.98； 可计算 275.52I/s。Q 最后计算得到 。m60iD 3.2.3 消声器直径 扩张比的意思就是消声器进口位置的横截面积与消声器的横截面积之间的比值 17。 其参数选着如表 3.1 所示 表 3.1 扩张比 M 的选择 车型 重型车 中型车 轻型车、轿车 M 67 910 1215 由表 3-1 选择 M=9。 由扩张比定义计算可直接得到消声器的直径： 第 3 章 排气系统的设计 11 (3-7)m2146021MDim 3.2.4 消声器长度 当消声器的直径 以及消声器的容积 V 被确定后，可直接得出长度 L18： （mm) （3-8）2610）（ mVL 故计算出 L=241.98mm。 由 ，满足设计要求。mD 3.2.5 消声器的材料 作为腐蚀环境下的内外消声器，所使用的材料是耐高温和耐腐蚀的不锈钢。 3.3 排气管 排气管的设计主要包含：管径，背压排气，消声器进气管的长度与消声器尾管的长 度之比，排气管布置。因为废气的背压与管道直径的五次方有着反比例关系，管道直径 的小幅增加将大大降低由管道引起的背压。如表 3.2 所示，排气管的直径能够直接确定为 76mm19。 表 3.2 排气管与发动机排量的关系 发动机排量（L） 排气管直径（mm） 14 127 或 152 排气管的厚度一般取 1-1.5mm，这里取 1.5mm。 3.4 本章小结 本章主要进行了对排气歧管、消声器、排气管的设计计算，初步的确定了排气系统 中各部件的尺寸，为下一章建模奠定了基础。 第 4 章 排气系统的建模 12 4 排气系统的建模 汽车的排气系统不仅是动力系统的十分必要的组成部分，而且它的振动方 面的研究也是十分重要的。振动分析的基础是基于有限元模型。因此，排气系 统的建模也是一个关键环节。本设计中的建模采纳的是使用 Solidworks 建模。 Solidworks 是集 CAD / CAM / CAE 与一身的 3D 参数化应用软件。它的出现使 得世界上使用计算机辅助设计制造分析出现了质的飞跃。它的包含范围很广， 包括有产品前期的设计，产品后期的制造加工过程都提供了十分详细的解决方 法，从而成为了世界顶级的产品周期性管理的软件之一 20。图 4.1 为整个排气 系统的建模。 图 4.1 排气系统的建模 4.1 Solidworks 简介 SolidWorks 软件是世界上第一款用在三维 CAD 系统的软件，它十分新潮， 在区区 2 年内 SolidWorks 已经成为 CAD 行业中最赚钱的公司，是因为它十分 新潮成熟的技术满足了 CAD 技术的发展要求和趋势。Solidworks 软件性能十分 成熟，因为其中有许多组件。Solidworks 具备三个特点：性能成熟，简单易学， 技术新潮。这些特点使 SolidWorks 在三维 CAD 解决方案中成为领先的主要领 导地位。SolidWorks 能够提供各种各样的设计处理方面的问题，进而缩小设计 过程中可能会出现的错误概率并提升产品品质 21。SolidWorks 不只可以提供如 此成熟的用途，并且对于每位设计师和工程师来说，它也简单易学并易于操作。 只要是了解微软 Windows 系统的用户就可以用 SolidWorks 来进行设计操作， 因为它十分易于上手操作。用户因为 SolidWorks 拥有特殊的拖拽功能可以在短 时间内实现大型装配的设计。Windows 资源管理器和 SolidWorks 资源管理器 都是 CAD 文件管理器。它可以十分轻松地用来处理 CAD 文件。利用 第 4 章 排气系统的建模 13 SolidWorks 的用户能够十分有效率地完成很多工作，并能将高品质的产品十分 快速地投放于市场。SolidWorks 是更简单，更便利的设计软件之一，在目前市 面上所有的三维 CAD 处理方法来看的话。美国十分有名的咨询公司评论道： “SolidWorks 是最有名的牌子，是成长迅速的市场领先者，在所有三维 CAD 软件中来说的话。 ”使用 SolidWorks 可以使整个产品是完全可编辑状态，因为 它是通过十分完善的设计性能和简单易学的操作来完成的，它能敏锐地察觉到 零件设计和装配设计之间的内在联系。SolidWorks 提供了鼠标与动控件一整套 动态感应器。 “全动”用户界面可以成功避免页面十分复杂的情况，是通过减少 了设计步骤从而减少了多余的对话框来达到此效果的。整个设计步骤和过程是 被新的属性管理器来进行掌控的。属性管理器中包括一切的设计参数，使得操 作变得简洁明了。对于 CAD 文件的管理，可以借助 SolidWorks 资源管理器进 行很好的实现。功能模板能提供良好的环境为标准特征和标准部件。用户可与 同事分享直接从性能模板中调用规范部件这件事情。AutoCAD 用户可以维持自 己最熟悉的绘图规则从 2D 转换到 3D 实体设计，如果在 SolidWorks 提供的 AutoCAD 模拟器容许条件下 22。 4.2 排气歧管的建模 当排气歧管连接到发动机和排气系统时，设计时不仅要考虑其隔振类型， 还要考虑其高温性能。在结构设计上，主要是通过三合一，适当改变每根管子 的长度，以达到减少每个气缸排气干扰影响的目的，从而有效地减少排气振动， 使排气更多光滑 23。如图 4.2 所示， 第 4 章 排气系统的建模 14 图 4.2 排气歧管的建模 该模型是本设计中的排气歧管模型，其设计要点如下： 1）尽量避免支管急转，内表面光滑平整，以减少排气阻力; 2）多缸机应避免各缸的排气干扰，减少排气压力波的干扰。 4.3 消声器的建模 汽车的消声器是排气系统中不可或缺的部分。它用于减少驾驶过程中的噪 音污染，并且是减少排气系统噪音的关键部件。在这种设计中，在排气装置末 端保留了一个消声器。消声器通常由进气管，消声室，谐振腔，多孔板，隔板 和排气管组成。消声器通常可以划分为三类型：抗性消声器类型，阻性消声器 类型和阻抗消声器类型。在这次设计中，使用抗性消声器。本文中的消声器设 计指出 24： 1）消声器在排气系统中的位置应能承受发动机运行期间产生的振动载荷和 高温高热负荷; 2）消声器应该具有足够的热疲劳寿命，以保证不易变形或损坏。 消声器壳体为渗铝薄壁不锈钢板，两端为 409 不锈钢，中间为三腔膨胀室， 内有两个隔板，整体结构对称。 消声器模型如图 4.3,4.4 所示： 第 4 章 排气系统的建模 15 图 4.3 第一段消声器模型 图 4.4 第二段消声器模型 4.4 本章小结 这一章基于上一章的计算结果，对排气系统中各个主要部件进行了 Solidworks 建模，并对设计的要点进行了简单的阐述，同时也阐述了建模中各 部件采用的简化方式。 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 16 5 排气管内部气体模拟仿真 5.1 Fluent 简介 Fluent 软件是十分盛行于当前世界上的商业化 CFD 软件包。它在在美国所占的市场 份额约为 60，并且它适用的行业很多，例如与流体有关行业或与化学反应有关的所有 行业。它具备得天独厚的物理模型，拥有着十分强大的前后处理性能和十分先进的数值 方法，根据这些优势使得它很多领域有着很深入的涉及到，例如在航空航天的设计中， 对汽车的设计，石油和天然气以及涡轮机设计中 25。 FLUENT 软件运用是以完全非结构化网格为基础的有限体积法，而且具备是以网格 节点和网格元素为基础的梯度算法; 定常/非定常的活动性模仿和新添加的快速性非定常 模仿性能; 针对于处理边界方面的运动问题通常用 FLUENT 软件中的运动变形网格技术。 用户仅仅需要将认定运动墙的界限条件以及初始网格条件，剩下的网格变化完全是由求 解器合成。有三种网格变形方式：弹簧压缩方式，局部网格重建方式与动态网格方式。 它的本地网格重建是 FLUENT 单独拥有存在的，而且它承受着宽泛的运用。在未对物体 的运动规律及较大的变形问题进行提前了解情况下，而且它是由流体产出的力决定的时 候，它可用非结构化网格。在 FLUENT 17.0 之后，添加了一个新的嵌套网格特征。 FLUENT 软件包括一个丰富而先进的湍流模型，所以可以容许用户精确地模拟无粘流， 层流和湍流的情况。另外，用户能够自定义地添加湍流模型。 5.2 模拟约束条件的确定 边界的约束条件分为入口边界、出口边界、固体壁面边界、其他边界条件。本文采 用的是通常情况下计算流体力学中时会用到的 FLUENT 软件来对排气系统进行流场分析。 FLUENT 在这里是计算排气系统的流场分析的问题，它是通过在空间上使用有限个体积 法从而达到计算过程结果，并且将计算领域分散成很多较小的体积单元格，然后在每个 小的体积单元格上再对分散处理过后的控制性方程组进行求解。 5.3 模拟控制 CFD 软件对对管道模拟非常常见。设计的思路是可以将复杂的结构分解成若干规则 的形状加以模拟。因此排气管可以简单的分为圆截面管状管道和圆截面弯管管道，本章 介绍了使用 Fluent 软件对这两种管道的模拟 26。 圆截面管道流体模型 当气体处于粘滞流的状态，气流在管道入口处被扰乱而造成流动方式的扰乱，使得 该区域内气流流量降低。 圆截面的弯管道流体模型 汽车尾气在排气管中要经常流经排气管的拐弯处。流体流经拐点时一般认为气体的 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 17 粘滞力的影响更大，这里通常使用软件模拟在特定工况下的流体流动状态。 5.4 排气管内部温度场模型的建立 根据排气管的尺寸，利用 Solidworks 建立了排气系统的三维立体模型，并对排气管 模型进行网格划分。下图就是对排气管的网格划分图。 图 5.1 排气管网格划分图 根据排气系统的结构，对于结构的简单部分，例如圆柱体状的排气管路和中间部分 是圆柱体的三元催化器使用六面体网格，对于其他复杂部分使用四面体网格。使用不同 形状的网格可以简化计算过程，提高计算精度 27。 （1）入口边界条件 根据发动机的型号和转速确定条件，根据发动机的工况算出气缸排放温度。排气歧 管入口流速为 28： （5-1）)360(AQu 公式中，u 代表代表排气歧管入口平均速度(m/s); A 代表排气总管入口截面积(m2)； Q 代表发动机进口总量。 （5-2）nV03. V为发动机总排量； n为发动机转速； 为充量系数。 （2）出口边界条件 出口条件为压力条件，设置为标准大气压值。 （3）固体壁面条件和材料参数 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 18 设定壁面为对流换热条件，对流换热系数为 15W，设置三元催化器的壁面为绝热条 件，消音器内部气体流动状态为湍流状态。 下图为低温状态下，发动机转速为 3500r/min 的条件下仿真结果。 图 5.2 排气管内部气体的温度场仿真 表 5.1 转速 3500r/min 各测试点温度仿真值 位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 温度 248 219 190 183 174 162 155 134 93 76 52 5.5 排气管内部压力场模型的建立 下图为发动机转速为 3500r/min 时候，压力场的仿真，下图就是排气管的内部气体压 强仿真结果图。 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 19 图 5.3 排气管内部气体压强仿真 曲式弯管设计处的弯管设计夹角处的压强变化并不明显其较小，从而可得出曲式弯 管的设计更安全，耐用性更好。 5.6 排气管内部速度矢量模型的建立 下图为发动机转速为 3500r/min 时候，速度矢量的仿真，下图就是排气管的内部气体 速度矢量的仿真结果图。 图 5.4 排气管内部气体内部气体速度矢量图 曲式弯管设计处的弯管设计夹角处的速度变化并不明显其较小，且无速度集中处。 从而可得出曲式弯管的设计比较安全，耐用性更好。 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 20 5.7 仿真结果分析 在计算的过程中，设想排气系统中的流动三维气体是流动的理想气体。 图 5.5 排气系统整体建模图 由图，可看出排气管的弯管是大概呈 60夹角的曲状弯管，通过对其压强分析与速 度矢量分析可得出，曲状弯管的设计十分合理，对排气管的冲击比较小，可能会使得在 行驶过程中引起强烈振动，从而能延长排气管的使用使用寿命。 发动机转速为 3500r/min 时,实验排气温度值与仿真温度值对比如下图。 图 5.6 实验温度值与仿真温度值的对比图 如图，仿真值数据较试验数据稍大，仿真值的曲线较试验数据的曲线平滑，在 9 号 点处的仿真值与试验数据差别较大。 下图是残差图，根据结果显示，它的残差是在 10-7 以下，说明对排气管进行仿真出 来的结果偏差不是很大，误差比较小，满足设计要求。 第 5 章 排气管内部气体模拟仿真 21 图 5.7 残差图 5.8 本章小结 本章主要介绍了 Fluent 软件，并应用该软件对排气系统做了流场模拟仿真分析。分 别对模拟约束条件的确定，排气管气体内部温度场建立，排气管气体内部压力场模型的 建立，排气管气体内部速度矢量模型的建立，然后做出了相应的分析。 总结与展望 22 总结与展望 本文的研究针对的是针对 EA14 发动机原始数据设计的排气数据系统。通过参考文献 和教师的指导，首先撰写了开题报告，确定了研究内容和设计内容。本文的主要内容包 括了解排气系统的发展历程，排气系统的结构设计与计算，排气系统的建模与制图，利 用 flunt 软件对排气系统进行热分析。文章概述，本文的工作主要归纳了以下几点 29： （1）首先阐述了排气系统的发展历史，描述了该国的发展状况，并对其研究背景进 行了总结。分析了排气系统的研究方向和意义。 （2）阐述了排气系统的结构和功能，总结了其设计的理论要求和要点，并介绍了 Solidworks 和有限元软件。设计理论计算排气系统中消声器，排气歧管和排气管的尺寸。 （3）利用排气系统的设计尺寸执行排气系统的三维建模，包括各种部件的建模; 将 三维模型导入有限元模态分析以验证组件的刚度强度。 参考文献 23 参考文献 1 邢素芳，王现荣，王超，郭占敏. 发动机排气系统振动分析J. 河北工业大学学报， 2005，34(5)： 109-111. 2 J. 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