李長玉,章樂一

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

基于ANSYS Workbench的汽車排氣系統(tǒng)靜力分析

李長玉,章樂一

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

根據(jù)排氣系統(tǒng)的實(shí)物數(shù)據(jù)使用CATIA軟件建立合理的簡(jiǎn)化幾何模型，保存為ANSYS Workbench能夠識(shí)別的格式并將其導(dǎo)入到該軟件中，再經(jīng)過合理的網(wǎng)格劃分后生成排氣系統(tǒng)的有限元模型，對(duì)該模型進(jìn)行靜力分析。該分析可為排氣系統(tǒng)安裝、吊耳優(yōu)化提供一定依據(jù)。

排氣管；有限元；靜力分析

0 引言

汽車的排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、波紋管、三元催化轉(zhuǎn)化器、排氣管、主消聲器、副消聲器等組成。其中波紋管起到在汽車車架與排氣管相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)減小相對(duì)扭曲的作用。三元催化轉(zhuǎn)化器可使排放的廢氣中一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物等轉(zhuǎn)化為對(duì)空氣無污染的物質(zhì)。消聲器起到消減排出的廢氣噪聲的作用[1]。

汽車排氣系統(tǒng)在汽車使用過程中主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的對(duì)排氣系統(tǒng)的作用力、汽車車身顛簸引起的對(duì)排氣系統(tǒng)的作用力、排出的廢氣引起的對(duì)排氣管的作用力等[2]。在進(jìn)行排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，為了使排氣系統(tǒng)能夠適應(yīng)運(yùn)行過程的載荷要求，常常要對(duì)汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析和動(dòng)態(tài)特性分析[3-4]。

利用三維建模軟件，對(duì)某一車輛的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)體建模，并且將其保存為ANASYS的Workbench模式，在ASNSYS Workbench中對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分以及靜力分析。這些分析可為汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 排氣系統(tǒng)的實(shí)體建模

利用CATIA軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，因?yàn)榕艢庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立幾何模型時(shí)為了計(jì)算簡(jiǎn)單，將對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要集中在以下幾點(diǎn):

(1)在保證消聲器大體結(jié)構(gòu)不變的情況下，不考慮排氣管系統(tǒng)的翻邊工藝。

(2)氧傳感器安裝孔等位置忽略。

(3)排氣系統(tǒng)的壁厚被設(shè)置為定值，以方便網(wǎng)格劃分與計(jì)算。

(4)通過CATIA零件設(shè)計(jì)建模繪制的排氣系統(tǒng)三維幾何模型如圖1所示。

2 排氣系統(tǒng)靜力分析過程

分析可知，排氣系統(tǒng)的約束主要為發(fā)動(dòng)機(jī)端的連接約束和各個(gè)位置吊耳的約束。排氣系統(tǒng)的載荷主要為其本身重力載荷。

靜力分析需要考慮汽車排氣系統(tǒng)吊耳的安裝位置，所以利用CATIA裝配設(shè)計(jì)對(duì)模型進(jìn)行吊耳安裝模擬，如圖2所示。

線性靜力分析理論上的求解步驟為：建模(導(dǎo)入)、施加載荷和邊界條件、求解、結(jié)果評(píng)價(jià)和分析。導(dǎo)入前先將模擬裝配的模型另存為IGS格式，同時(shí)啟動(dòng)ANSYS Workbench中的靜力分析模塊，導(dǎo)入模型,定義材料屬性，對(duì)模型劃分網(wǎng)格，可得到有限元模型如圖3所示。

3 排氣系統(tǒng)靜力分析結(jié)果

求解完成后，就可以利用ANSYS軟件生成的結(jié)果文件(對(duì)于靜力分析，就是jobname.RST)進(jìn)行后處理。靜力分析中通常通過POST1后處理器就可以處理和顯示大多數(shù)感興趣的結(jié)果數(shù)據(jù)。在此僅對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并作為懸掛點(diǎn)優(yōu)化的依據(jù)。圖4、圖5表述了靜力分析的結(jié)果。

由排氣系統(tǒng)靜力分析的變形圖中可以看出：在重力作用下排氣系統(tǒng)整體變形量不大，說明各懸掛點(diǎn)布置基本合理；就各零部件孤立分析，最大位移點(diǎn)產(chǎn)生在副消聲器后的三號(hào)管前段，說明吊耳4的位置需要進(jìn)一步強(qiáng)化。

由排氣系統(tǒng)靜力分析的等效應(yīng)變圖及等效應(yīng)力圖可知：從整體方面分析，各吊耳應(yīng)力較為平均，等效應(yīng)變中的變形量也差異不大，最大等效應(yīng)變及最大等效應(yīng)力點(diǎn)均產(chǎn)生在副消聲器前的吊耳3的位置，最小點(diǎn)均位于主消聲器中前的位置上?？紤]到主消聲器、副消聲器自身的重力問題，所以3～6號(hào)吊耳的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變應(yīng)略大于1號(hào)及2號(hào)的吊耳。所以由等效應(yīng)變圖及等效應(yīng)力圖可知，圖中假設(shè)的吊耳分布合理，基本滿足靜力載荷下的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

利用CATIA軟件對(duì)某汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)體建模，并且利用有限元分析軟件對(duì)其在重力載荷下各吊耳靜力情況進(jìn)行了分析。該分析對(duì)汽車排氣系統(tǒng)吊耳位置的選擇以及排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

【1】鮑恩濤.汽車排氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

【2】唐文初，鄧寶清.汽車構(gòu)造[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010.

【3】萬茂林，張光慧，楊超云.汽車排氣系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].汽車工程師，2011(9):48-50.

【4】邢素芳，王現(xiàn)榮.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)振動(dòng)分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,34(5):109-111.

Static Analysis of Automobile Exhaust System Based on ANSYS Workbench

LI Changyu, ZHANG Leyi
(School of Automotive Engineering, Guangzhou College, South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510800,China)

According to the physical data of exhaust system, CATIA software was used to establish a reasonable simplified geometric model which was saved for the format of the ANSYS Workbench could recognize.The model was imported into the software, after a reasonable meshing process, the finite element model of the exhaust system was generated. Then static analysis for the model was made.The research can provide some basis for exhaust system installation and optimization.

Exhaust system; FEM; Static analysis

2016-04-08

廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目(51-SC150201)；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(XQ114016)

李長玉(1981—)，男，博士研究生，講師，研究方向?yàn)槠囌駝?dòng)與噪聲控制。E-mail：644968790@qq.com。

U463.6

A

1674-1986(2016)06-053-02