汽车排气系统CADCAE集成开发方法

汽车排气系统CAD/CAE集成开发方法

华中科技大学张杰金国栋钟绍华傅强

摘要：本文探讨了一种新颖的汽车排气系统CAD/CAE 集成开发的思路和方法，此法将传统的经验设计理论与先进的专业软件应用结合起来。首先明确系统的需求和目标，然后建立起排气系统集成开发的环境，运用软件工程的思想进行整体规划和程序开发的模块化，这种设计方法在很大程度上提高了设计精度和功效。文中以消声器为例给出了其设计方法和在软件上实现的流程图。

关键词：排气系统集成开发催化转换器消声器

1 排气系统开发现状分析

日益严格的排放法规和人类环境意识的增强对汽车节能净化提出了高标准的要求，而排气系统作为现代内燃机动力汽车的一个重要总成，其性能直接决定了发动机排气损失以及污染物和气动噪声的排放量，因此如何对排气系统进行有效的设计分析，如何使其与发动机合理匹配等，就成为现代汽车节能与净化的关键技术之一。

在我国长期以来，汽车排气系统的开发仍然停留在各部件单一设计，依赖简单理论估算、经验设计和大量试验的基础上[1]，这样不仅费时费力，给排气系统结构和性能的进一步优化带来困难；而且，单独对消声器或催化器局部分散设计不能完全反映排气系统的整体耦合特征，难以设计出令人满意的产品。随着计算机软硬件技术以及计算流体力学(CFD)等仿真分析软件的飞速发展，一些商用软件逐渐完善，成为研究设计人员的有效工具。例如通过对催化器和消声器进行数值模拟研究其阻力特性等[2]，这一方面为结构优化提供充分的理论指导，另一方面也大大降低了实际试验的工作量，缩短设计周期，并且可以探索多种可能设计。

然而单一的商用软件往往不能满足复杂系统的整体开发，而需要选择相关软件进行二次开发和科学集成。目前针对整个排气系统进行集成开发研究的还未见报道。为满足排气系统模块供应商产品开发的需要，我们选择了一些有专业特点的设计与分析软件，以数据库管理系统为纽带，以VC++为开发语言，对这些软件进行了集成和二次开发，初步完成了汽车排气系统CAD/CAE 软件，使其能在一个用户界面下完成整个排气系统的设计（CAD）与分析（CAE）功能，使传统的经验设计向精确的理论设计过渡，很大程度上提高了设计精度和功效。

2 排气系统CAD/CAE 系统的任务和功能

2.1 任务要求

汽车排气系统的设计是在给定发动机边界条件、给定底盘布置的几何约束条件，给定国家对排气噪声、污染物限值指标的法规限定，给定主机厂对发动机功率损失等其它约束性要求的条件下，通过CAD/CAE设计分析软件对发动机排气系统进行初步设计、性能分析和详细设计，获得与该车型、发动机匹配最佳的排气系统产品。为此，发动机排气系统CAD/CAE 软件的任务从产品划分来看，主要有三个，即消声器设计分析、催化转换器设计分析和整个排气系统的设计分析，从性能指标的划分来看，主要涉及排放指标、声学性能和发动机输出效率三个方面的协调优化（见图1）。

图1 排气系统设计的任务要求

2.2 主要功能

排气系统CAD 主要根据所选定的汽车和发动机来确定排气系统的型式、结构、参数和性能，包括绘制系统总成和零部件三维工程图，将传统的人工设计变为计算机辅助下的半自动设计；排气系统CAE 主要对已初步设计的排气系统或现有排气系统完成分析计算，包括分析其与发动机匹配时整个系统的性能参数。具体来说排气系统CAD/CAE 所要完成的功能主要有：

1）催化转换器初步设计。根据发动机排气流量、排放物浓度和法规要求，初步确定催化转换器的载体类型、体积、形状，转换器结构、尺寸等；

2）消声器初步设计。根据发动机类型、转速、排气压力等特征、法规要求等，初步确定消声器类型、级数、结构、尺寸、吸声材料等；

3）排气系统的初步设计。根据底盘布置要求和排气系统中消声器、催化转换器、排气管系组成等，初步确

定管系尺寸和相关装置的位置、连接方式、悬挂方式等；

4）催化转换器性能仿真分析，包括规定工况下污染物比排放率的预测；

5）消声器性能仿真分析，包括在规定转速和负荷下的消声器插入损失、功率损失、发动机排气背压，排气噪声预测等；

6）与发动机耦合的整个排气系统的性能分析；

7）实现催化转换器、消声器以及整个排气系统与发动机的匹配计算；

8）输出排气系统的总图以及催化转换器、消声器的零部件结构图；

9）输出经处理后的排放污染物的参数以及排气噪声、功率损失、插入损失、排气背压等参数。

3 汽车排气系统CAD/CAE 集成开发环境的建立

3.1 系统的组织结构

为满足排气系统CAD/CAE 的任务要求，我们可以建立如图2 所示的系统组织结构图。其中，基础软件层和支撑软件层是外购的用于排气系统设计分析的商用软件，它们是排气系统CAD/CAE 的基础，为相应的设计、开发、集成、运行与维护提供全面的服务；也为功能应用层提供有力的支持和灵活多样的工具。

界面层为用户使用该系统软件提供了一个方便友好的环境。

图2 系统集成开发环境的组织结构

3.2.1 硬件配置

PIII600 以上微机；

256M 以上内存；

10G 以上硬盘空间；

WINDOWS2000 及以上操作系统。

3.2.2 软件配置

集成开发环境中的应用软件主要包括三维CAD造型软件（UG-II、Solidworks、Pro-E等），发动机性能仿真软件（BOOST、HUST-MK14、GT-Power 等），车辆性能仿真软件（Cruise、Advisor 等），CFD软件（STAR-CD、Fluent 等），声学分析软件（Sysnoise 等），数据可视化分析计算软件（MATLAB 等）。

上述软件根据项目需要选定，均在Windows 操作环境下工作，自编软件部分采用VC++开发语言[3]。

3.3 程序开发的主要内容

用户界面层和功能应用层是我们要开发的部分，所编写的程序代码要实现图3 中的虚线部分内容。程序开发主要有三部分内容：用户界面、功能模块和数据接口。用户界面采用VC++6.0 在Windows 2K 或XP 操作系统下开发，因此所开发的应用程序也具有Windows 操作系统界面风格，采用下拉式功能菜单设计，界面清晰友好。窗口的菜单栏、工具条和视图域等的设置和布局视功能需要而定。它要完成所有的任务调度和功能模块的管理。

图3 程序开发的内容

功能模块的开发可以采用VC++，也可采用MATLAB 等其他的语言编程，它包括排气系统、催化转换器和消声器的设计过程、软件公用模块和计算结果显示等。这些功能模块的数据输入和输出都是基于数据库或者图形库。

数据库既是系统输入数据的来源，又是计算结果的存储目的地。数据库记录着结构、性能参数、功能模块的过程数据和计算结果。采用关系数据库建立整车、发动机、催化转换器和消声器四个数据表，它们相对独立又相互关联，一条完整的数据记录是产生于这些数据表的一个视图。选择中小型的数据库平台，并考虑数据合理而有序的流动，编写数据库操作功能函数来实现各种软件之间数据格式的相互转换。

排气系统的基本三维结构模型和部分设计结果需要用到图形显示，图形库以文件的形式单独存放。与数据库的联接是软件处理图形信息的关键，本软件采用一些数据库操作命令，可使数据库中的某字段与图形文件相关联，还可以从图形中提取必要的参数信息。

4 软件设计的整体规划

为了便于开发和维护，可以将软件在具体编程实现中划分为主程序、催化转化部分设计分析程序、消声器部分设计分析程序、排气系统计算分析程序、公用模块五个部分。

4.1 主程序

功能：用于处理用户操作，包括各种原始数据的输入、查询和修改等操作，数据的存取，以及计算结果的