汽車催化器設(shè)計中計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用

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[摘要]

隨著汽車發(fā)動機及排放技術(shù)的發(fā)展，催化器的設(shè)計也對工程師提出了越來越高的要求，本文主要介紹了計算機仿真技術(shù)，特別是CAE和CFD技術(shù)在汽車催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計中的應(yīng)用。CAE以及CFD技術(shù)的應(yīng)用，大幅縮短了汽車催化器設(shè)計的周期，且降低了設(shè)計成本，使催化器產(chǎn)品的可靠性得到顯著提升。相關(guān)的分析工作表明催化器支架設(shè)計前，應(yīng)首先對整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)進行評價，根據(jù)振動形式的分布來確定支架的布置方向；流場的合理性對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生重要影響，載體前端部分要盡量避免過小的轉(zhuǎn)彎半徑導(dǎo)致的紊流現(xiàn)象。

[關(guān)鍵詞]CAE；模態(tài)；剛度；沖壓工藝

1前言

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)走進眾多的家庭，正逐步從奢侈品變?yōu)槌鞘猩畹谋匦杵?。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶給人們出行便捷的同時，也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題，對人體健康造成了損害[1]。因此尾氣排放成為了評價整車性能的重要標準。國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的制定和執(zhí)行，愈發(fā)體現(xiàn)出了催化器對整車性能的重要性，隨著發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，對催化器的設(shè)計也提出了更高的要求，緊耦合式歧管、渦輪增壓技術(shù)都使催化器的結(jié)構(gòu)朝著異形化的方向發(fā)展，催化轉(zhuǎn)化器在設(shè)計中不但要滿足高溫、強震動下的剛度要求，更要實現(xiàn)最優(yōu)化的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。

2模態(tài)分析對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

作為汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)的重要組成部分，催化器決定了汽車排放性能的優(yōu)劣。隨著汽車排放標準的不斷提升，催化器的位置也越發(fā)靠近發(fā)動機熱端，目前常見的排放系統(tǒng)，常常將催化器布置在發(fā)動機排氣歧管或是渦輪增壓器的出口位置，這也使得催化器處于高溫、強振的工作環(huán)境中。為了滿足排氣系統(tǒng)的使用壽命的要求，在催化器的設(shè)計階段，就必須考慮結(jié)構(gòu)的強度、剛度和耐久性能，而這其中，催化器的模態(tài)對催化器的性能至關(guān)重要，目前的四缸發(fā)動機設(shè)計準則中，一般要求催化器在高溫下的一階模態(tài)達到210Hz[2]。

2.1邊界條件的設(shè)定

2.1.1溫度邊界條件催化器是一種典型的流固耦合模型，尾氣的高溫對催化器的性能有很大的影響，根據(jù)材料力學(xué)性能的試驗數(shù)據(jù)，800℃時的不銹鋼材料性能大約只有常溫下材料性能的1/6，因此進行模態(tài)分析時必須要考慮溫度場帶來的影響。由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得載體區(qū)域壁面溫度較高，約為800~900℃，非載體區(qū)域的壁面溫度在400~500℃之間。

2.1.2材料屬性的定義在模態(tài)計算時，需要定義的材料屬性有彈性模量、泊松比以及材料的密度，這其中彈性模量隨溫度的升高會產(chǎn)生明顯的下降。通過實驗手段測得不銹鋼材料彈性模量隨溫度的變化關(guān)系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)曲線擬合成二次多項式：將此公式作為模態(tài)分析時彈性模量的輸入。材料的密度隨溫度的變化并不明顯，因此按照常溫下的材料密度值進行設(shè)定，泊松比一般取在0.2~0.3之間。對于排氣管內(nèi)的氣體，假設(shè)其為理想氣體，是單向的牛頓流體，在進行計算時，設(shè)定其可壓縮性對計算結(jié)果會產(chǎn)生明顯影響，馬赫數(shù)MH=V/a，V為當(dāng)?shù)厮俣?，a為當(dāng)?shù)匾羲?；?dāng)MH＜0.3時，為不可壓縮，當(dāng)MH≥0.7時肯定為可壓縮流體，如果用不可壓縮法計算，結(jié)果就會有明顯的差別[3]。

2.2計算結(jié)果

2.2.1初始設(shè)計結(jié)構(gòu)在初始設(shè)計中，考慮到發(fā)動機安裝空間的情況，將催化器支架設(shè)計成為圖1中右側(cè)的結(jié)構(gòu)，該支架與中間段軸線呈傾斜布置，該方案的一階模態(tài)160Hz，沒有達到催化器的設(shè)計要求。而在后續(xù)的臺架試驗中，催化器的確在在中間段位置出現(xiàn)了多次斷裂。說明該設(shè)計方案的確不能滿足剛度要求。改進方法主要針對催化器支架進行，通過對支架的位置、走向進行優(yōu)化及整體剛度的調(diào)整[4]。

2.2.2改進方案將支架設(shè)計成了對稱的“雙L”型結(jié)構(gòu)，并且支架的布置方向與中間段軸線垂直。該支架作用下的整體模態(tài)達到300Hz，滿足設(shè)計要求，并且支架沒有增加安裝孔位，便于裝配。該方案在臺架試驗中也取得了良好的效果，200小時振動耐久試驗以及250h熱沖擊試驗均達到了滿意的效果；另外，良好的裝配工藝性，也在后續(xù)的量產(chǎn)中收獲了不錯的效果，裝配效果更加穩(wěn)定。

2.3模態(tài)計算與支架設(shè)計

通過多個類似催化器支架的設(shè)計，得到這樣的設(shè)計經(jīng)驗：支架的走向?qū)φw結(jié)構(gòu)的模態(tài)有明顯的影響。產(chǎn)品振動的角度和中間段軸線基本垂直，這恰好與改進方案中的支架走向一致；而初始設(shè)計方案中的支架走向與催化器主體結(jié)構(gòu)的振動方向存在一定的角度，從而影響了支架的效果，使剛度無法滿足要求。因此，我們在催化器支架的設(shè)計初期，首先要關(guān)注主體結(jié)構(gòu)的振動形式，并根據(jù)振動的方向來設(shè)計支架走向，保證催化器支架能最大限度的提升整體結(jié)構(gòu)的剛度。

3CFD分析對催化器流道設(shè)計的影響

催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)會對排氣性能產(chǎn)生很大影響，在設(shè)計時需要充分考慮流場對氣流走向、壓力損失、流速均勻、載體前端流場偏心等參數(shù)的影響。在早期的排氣系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計師更多通過經(jīng)驗來判斷流場的結(jié)構(gòu)是否合理；而隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)能通過計算機仿真來真實的模擬流場內(nèi)部的氣流情況。圖2是某渦輪增壓發(fā)動機催化器的設(shè)計方案，由于裝車環(huán)境的限制，流場在前錐出現(xiàn)較大拐角。通過CFD分析，我們得到了圖2所示的流場分布結(jié)果。能夠看出，流場在載體及后錐等部分氣流速度分布規(guī)則、流場均勻，而在前錐位置，由于過大的拐角，導(dǎo)致氣流在拐彎后的錐形區(qū)域形成渦流。載體前部渦流會影響流入載體截面氣流的均勻性，影響催化轉(zhuǎn)化效果；另外，嚴重的渦流可能會加快襯墊的吹蝕，造成載體堵塞等嚴重失效。因此，我們對催化器前錐進行了優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)，氣流在拐彎后沒有足夠的直線管道來幫助氣流方向恢復(fù)穩(wěn)定，因此優(yōu)化時應(yīng)該考慮在拐彎后增加適當(dāng)?shù)闹本€管路；另外，氣流在拐彎內(nèi)側(cè)部分氣流速度最大，并在該處形成離心現(xiàn)象，導(dǎo)致后方氣流整體向下偏移，影響載體截面氣流的偏心率，所以增大拐彎半徑，降低氣流的離心現(xiàn)象，也會對整體氣流有優(yōu)化作用；最后我們發(fā)現(xiàn)，過大的錐形區(qū)域也給渦流的產(chǎn)生提供的空間，設(shè)計時合理的減小該錐形空間，能夠減小渦流產(chǎn)生的規(guī)模，提高整體流場的穩(wěn)定性。根據(jù)該思路，對催化器前端的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，綜合考慮各個因素后，將載體向后平移了15mm，這樣就為催化器前端創(chuàng)造了更大的空間，考慮到盡量減小錐形區(qū)域，因此設(shè)計成圖3所示相對扁平的錐體結(jié)構(gòu)，再配合一根弧度更大的彎管，完成了優(yōu)化后的方案。優(yōu)化后的流場在催化器前端的流動更加平穩(wěn)，由于彎管的弧度增大，氣流在拐彎前后的分布更加均勻，錐形空間的減小也大大限制了渦流區(qū)域的影響，通過進一步計算，該方案氣流在載體截面的均勻度為0.98、偏心率為0.1，應(yīng)該說流場的分布情況滿足了設(shè)計要求。

4結(jié)論

1）在催化器支架設(shè)計時，應(yīng)充分考慮整體結(jié)構(gòu)在發(fā)動機上的布置形式、布置方向及其隨發(fā)動機工作時的主要振動方向，催化器的主要振動方向是其剛度的薄弱方向；

2）催化器支架設(shè)計前，應(yīng)首先對整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)進行評價，通過CAE手段得到其整體結(jié)構(gòu)在各階固有頻率（主要是一階固有頻率）下的振動形式，根據(jù)振動形式的分布，來確定支架的布置方向；

3）流場的合理性對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生重要影響，載體前端部分要盡量避免過小的轉(zhuǎn)彎半徑，小半徑彎管不但工藝實現(xiàn)比較復(fù)雜，對流場的均勻性也帶來不利影響；另外，在角度突變的區(qū)域應(yīng)該避免出現(xiàn)較大錐形空間出現(xiàn)。

[參考文獻]

[1]陶麗芳.汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)性能分析研究[J].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[2]趙海瀾.汽車排氣系統(tǒng)懸掛點優(yōu)化[J].計算機輔助工程,2006.

[3]李湘華,張小嬌.柴油機排氣歧管流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].柴油機,2006.

[4]吳永橋,鄢奉林.汽車排氣總管的靜力分析和模態(tài)分析[J].汽車工程,2000.

[5]宋學(xué)官.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

作者：董曉菲 單位：天津卡達克汽車高新技術(shù)公司