某汽车排气系统的有限元分析

Internal Combustion Engine & Parts

某汽车排气系统的有限元分析

王雷

(一汽-大众汽车有限公司佛山分公司，佛山528237 )

摘要：首先建立排气系统的三维数模，然后根据需要进行网格划分，通过有限元的方法对某汽车排气系统进行流场和振动特性分 析，探索其尾气处理效率和在振动条件下的耐久性。

关键词：排气系统;有限元;流场；耐久性

0引言

汽车排气系统在尾气处理方面起到了不可代替的作 用，与发动机直接相连的岐管和催化器是排气系统中相对 独立的重要组成部分，也是本文的研究对象。排气系统的 流场均匀性直接影响到尾气的处理效率。另外排气系统受 到发动机激励的极大影响，其振动特性也直接影响耐久 性。本文利用有限元仿真，通过流场分析和模态分析，探索 其流场均匀性和振动耐久性。

1建立几何模型

首先通过测量，利用三维建模Catia软件，建立排气系 统的三维数模，如图1，包括排气歧管罩和支撑结构。

图1排气系统总成三维数模

2划分三维有限元网格

采用HyperMesh软件，进行有限元分析预处理，即对 壳体机构和流过的废气进行有限元网格划分。

只保留与尾气接触的壁面，进行二维网格划分，然后 自动生成流体网格模型。对催化器部分，忽略内部的载体 和垫层，只留取管壁，生成管壁三维网格数模，如图2。

图2流体与管壁有限元三维网格数模

3参数设定

3.1出入口边界

将废气看作理想气体，入口速度均匀分布，为10m/s，进气温度为860益，出口处压力为22MPa。

3.2管壁

管壁设为光滑、非渗透性，没有滑移，壁面散热系数为 11000W/s*m2，外界温度为25益。管壁材料弹性模量E= 2.1GPa，泊松比滋=0.3,材料密度p=7.85g/cm3。

作者简介：王雷（1986-),男，山东金乡人，研究生，毕业于重庆大学，研究方向为汽车振动。

3.3催化器载体

蜂窝载体是由许多大小相同的方形管道组成，管道的

直径远小于载体的直径，故可把载体设成多孔介质模型。二次阻力系数为650kg/m

4有限元分析

利用有限元计算分析软件ANSYS的不同模块，对排

气系统的流体和壳体进行有限元分析。

4.1流场分析

将流体网格导入到C FX分析模块中，设定参数，仿真

计算得到流体速度场。在歧管与催化器的连接处流速较 大，速度达到36.30m/s，其余地方流速较小。催化器进气端

面上最小流速为4.9m/s，最大流速为5.4m/s，流速均匀性

指数[2]为0.95>0.9，均匀性较好，气体基本均匀地在催化器

载体区域内流动，能够与催化剂进行充分的反应。

图3流体速度场与第1阶振型图

4.2振动特性分析

将管壁网格导入到AN SYS中，设定参数，进行模态

分析。

排气系统与发动机直接相连，因此固有频率必须与发

动机的激振频率分开，避免出现共振现象[3]，缩短排气歧管

总成的使用寿命。

表1各阶固有频率

阶次频率（Hz)阶次频率(Hz)阶次频率(Hz)

131625273982

外界的最高激励频率约为240Hz，而该排气系统自由

模态第一阶固有频率为316Hz，远离外界激励频率，故该

排气系统在正常的使用过程中不易发生共振现象，此排气

系统的振动耐久性较好。

参考文献：

[1] 庞剑，湛刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社,2006:256-283.

[2] 穆丰瑞，海德利，董锡强.汽车排气歧管计算机辅助设计研

究[J].内燃机学报，1995,13(4)401-407.

[3] 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 ) :

109-110.