汽车催化器设计中计算机仿真技术的应用论文

时间：2023-02-16 19:53:54 计算机我要投稿

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　　[摘要]

汽车催化器设计中计算机仿真技术的应用论文

　　随着汽车发动机及排放技术的发展，催化器的设计也对工程师提出了越来越高的要求，本文主要介绍了计算机仿真技术，特别是CAE和CFD技术在汽车催化转化器设计中的应用。CAE以及CFD技术的应用，大幅缩短了汽车催化器设计的周期，且降低了设计成本，使催化器产品的可靠性得到显著提升。相关的分析工作表明催化器支架设计前，应首先对整体结构的模态进行评价，根据振动形式的分布来确定支架的布置方向；流场的合理性对产品的性能产生重要影响，载体前端部分要尽量避免过小的转弯半径导致的紊流现象。

　　[关键词]CAE；模态；刚度；冲压工艺

　　1前言

　　近年来，随着汽车产业的高速发展，汽车已经走进众多的家庭，正逐步从奢侈品变为城市生活的必需品。汽车产业的发展带给人们出行便捷的同时，也带来了日益严重的环境问题，对人体健康造成了损害[1]。因此尾气排放成为了评价整车性能的重要标准。国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的制定和执行，愈发体现出了催化器对整车性能的重要性，随着发动机技术的不断发展，对催化器的设计也提出了更高的要求，紧耦合式歧管、涡轮增压技术都使催化器的结构朝着异形化的方向发展，催化转化器在设计中不但要满足高温、强震动下的刚度要求，更要实现最优化的内部流场结构。

　　2模态分析对结构设计的影响

　　作为汽车发动机排气系统的重要组成部分，催化器决定了汽车排放性能的优劣。随着汽车排放标准的不断提升，催化器的位置也越发靠近发动机热端，目前常见的排放系统，常常将催化器布置在发动机排气歧管或是涡轮增压器的出口位置，这也使得催化器处于高温、强振的工作环境中。为了满足排气系统的使用寿命的要求，在催化器的设计阶段，就必须考虑结构的强度、刚度和耐久性能，而这其中，催化器的模态对催化器的性能至关重要，目前的四缸发动机设计准则中，一般要求催化器在高温下的一阶模态达到210Hz[2]。

　　2.1边界条件的设定

　　2.1.1温度边界条件催化器是一种典型的流固耦合模型，尾气的高温对催化器的性能有很大的影响，根据材料力学性能的试验数据，800℃时的不锈钢材料性能大约只有常温下材料性能的1/6，因此进行模态分析时必须要考虑温度场带来的影响。由于发生化学反应，使得载体区域壁面温度较高，约为800~900℃，非载体区域的壁面温度在400~500℃之间。

　　2.1.2材料属性的定义在模态计算时，需要定义的材料属性有弹性模量、泊松比以及材料的密度，这其中弹性模量随温度的升高会产生明显的下降。通过实验手段测得不锈钢材料弹性模量随温度的变化关系，根据实验数据曲线拟合成二次多项式：将此公式作为模态分析时弹性模量的输入。材料的密度随温度的变化并不明显，因此按照常温下的材料密度值进行设定，泊松比一般取在0.2~0.3之间。对于排气管内的气体，假设其为理想气体，是单向的牛顿流体，在进行计算时，设定其可压缩性对计算结果会产生明显影响，马赫数MH=V/a，V为当地速度，a为当地音速；当MH＜0.3时，为不可压缩，当MH≥0.7时肯定为可压缩流体，如果用不可压缩法计算，结果就会有明显的差别[3]。

　　2.2计算结果

　　2.2.1初始设计结构在初始设计中，考虑到发动机安装空间的情况，将催化器支架设计成为图1中右侧的结构，该支架与中间段轴线呈倾斜布置，该方案的一阶模态160Hz，没有达到催化器的设计要求。而在后续的台架试验中，催化器的确在在中间段位置出现了多次断裂。说明该设计方案的确不能满足刚度要求。改进方法主要针对催化器支架进行，通过对支架的位置、走向进行优化及整体刚度的调整[4]。

　　2.2.2改进方案将支架设计成了对称的“双L”型结构，并且支架的布置方向与中间段轴线垂直。该支架作用下的整体模态达到300Hz，满足设计要求，并且支架没有增加安装孔位，便于装配。该方案在台架试验中也取得了良好的效果，200小时振动耐久试验以及250h热冲击试验均达到了满意的效果；另外，良好的装配工艺性，也在后续的量产中收获了不错的效果，装配效果更加稳定。

　　2.3模态计算与支架设计

　　通过多个类似催化器支架的设计，得到这样的设计经验：支架的走向对整体结构的模态有明显的影响。产品振动的角度和中间段轴线基本垂直，这恰好与改进方案中的支架走向一致；而初始设计方案中的支架走向与催化器主体结构的振动方向存在一定的角度，从而影响了支架的效果，使刚度无法满足要求。因此，我们在催化器支架的设计初期，首先要关注主体结构的振动形式，并根据振动的方向来设计支架走向，保证催化器支架能最大限度的提升整体结构的刚度。

　　3CFD分析对催化器流道设计的影响

　　催化转化器的内部流场结构会对排气性能产生很大影响，在设计时需要充分考虑流场对气流走向、压力损失、流速均匀、载体前端流场偏心等参数的影响。在早期的排气系统设计中，设计师更多通过经验来判断流场的结构是否合理；而随着CFD技术的不断发展，人们已经能通过计算机仿真来真实的模拟流场内部的气流情况。图2是某涡轮增压发动机催化器的设计方案，由于装车环境的限制，流场在前锥出现较大拐角。通过CFD分析，我们得到了图2所示的流场分布结果。能够看出，流场在载体及后锥等部分气流速度分布规则、流场均匀，而在前锥位置，由于过大的拐角，导致气流在拐弯后的锥形区域形成涡流。载体前部涡流会影响流入载体截面气流的均匀性，影响催化转化效果；另外，严重的涡流可能会加快衬垫的吹蚀，造成载体堵塞等严重失效。因此，我们对催化器前锥进行了优化，我们发现，气流在拐弯后没有足够的直线管道来帮助气流方向恢复稳定，因此优化时应该考虑在拐弯后增加适当的直线管路；另外，气流在拐弯内侧部分气流速度最大，并在该处形成离心现象，导致后方气流整体向下偏移，影响载体截面气流的偏心率，所以增大拐弯半径，降低气流的离心现象，也会对整体气流有优化作用；最后我们发现，过大的锥形区域也给涡流的产生提供的空间，设计时合理的减小该锥形空间，能够减小涡流产生的规模，提高整体流场的稳定性。根据该思路，对催化器前端的结构进行了优化，综合考虑各个因素后，将载体向后平移了15mm，这样就为催化器前端创造了更大的空间，考虑到尽量减小锥形区域，因此设计成图3所示相对扁平的锥体结构，再配合一根弧度更大的弯管，完成了优化后的方案。优化后的流场在催化器前端的流动更加平稳，由于弯管的弧度增大，气流在拐弯前后的分布更加均匀，锥形空间的减小也大大限制了涡流区域的影响，通过进一步计算，该方案气流在载体截面的均匀度为0.98、偏心率为0.1，应该说流场的分布情况满足了设计要求。

　　4结论

　　1）在催化器支架设计时，应充分考虑整体结构在发动机上的布置形式、布置方向及其随发动机工作时的主要振动方向，催化器的主要振动方向是其刚度的薄弱方向；

　　2）催化器支架设计前，应首先对整体结构的模态进行评价，通过CAE手段得到其整体结构在各阶固有频率（主要是一阶固有频率）下的振动形式，根据振动形式的分布，来确定支架的布置方向；

　　3）流场的合理性对产品的性能产生重要影响，载体前端部分要尽量避免过小的转弯半径，小半径弯管不但工艺实现比较复杂，对流场的均匀性也带来不利影响；另外，在角度突变的区域应该避免出现较大锥形空间出现。

　　[参考文献]

　　[1]陶丽芳.汽车发动机排气系统性能分析研究[J].重庆大学硕士学位论文,2005.

　　[2]赵海澜.汽车排气系统悬挂点优化[J].计算机辅助工程,2006.

　　[3]李湘华,张小娇.柴油机排气歧管流场分析与结构优化[J].柴油机,2006.

　　[4]吴永桥,鄢奉林.汽车排气总管的静力分析和模态分析[J].汽车工程,2000.

　　[5]宋学官.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

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