汽車催化器設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

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[摘要]

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及排放技術(shù)的發(fā)展，催化器的設(shè)計(jì)也對(duì)工程師提出了越來(lái)越高的要求，本文主要介紹了計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)的周期，且降低了設(shè)計(jì)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(jì)前，應(yīng)首先對(duì)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)振動(dòng)形式的分布來(lái)確定支架的布置方向；流場(chǎng)的合理性對(duì)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(guò)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(lái)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)走進(jìn)眾多的家庭，正逐步從奢侈品變?yōu)槌鞘猩畹谋匦杵贰Ｆ嚠a(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶給人們出行便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人體健康造成了損害[1]。因此尾氣排放成為了評(píng)價(jià)整車性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的制定和執(zhí)行，愈發(fā)體現(xiàn)出了催化器對(duì)整車性能的重要性，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)催化器的設(shè)計(jì)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(jì)中不但要滿足高溫、強(qiáng)震動(dòng)下的剛度要求，更要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

2模態(tài)分析對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，催化器的位置也越發(fā)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)熱端，目前常見(jiàn)的排放系統(tǒng)，常常將催化器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(jì)階段，就必須考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和耐久性能，而這其中，催化器的模態(tài)對(duì)催化器的性能至關(guān)重要，目前的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，一般要求催化器在高溫下的一階模態(tài)達(dá)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)，800℃時(shí)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(jìn)行模態(tài)分析時(shí)必須要考慮溫度場(chǎng)帶來(lái)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(jì)算時(shí)，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(huì)產(chǎn)生明顯的下降。通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)得不銹鋼材料彈性模量隨溫度的變化關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合成二次多項(xiàng)式：將此公式作為模態(tài)分析時(shí)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(jìn)行設(shè)定，泊松比一般取在0.2~0.3之間。對(duì)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(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)定其可壓縮性對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)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(shí)，為不可壓縮，當(dāng)MH≥0.7時(shí)肯定為可壓縮流體，如果用不可壓縮法計(jì)算，結(jié)果就會(huì)有明顯的差別[3]。

2.2計(jì)算結(jié)果

2.2.1初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在初始設(shè)計(jì)中，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝空間的情況，將催化器支架設(shè)計(jì)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(méi)有達(dá)到催化器的設(shè)計(jì)要求。而在后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)中，催化器的確在在中間段位置出現(xiàn)了多次斷裂。說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案的確不能滿足剛度要求。改進(jìn)方法主要針對(duì)催化器支架進(jìn)行，通過(guò)對(duì)支架的位置、走向進(jìn)行優(yōu)化及整體剛度的調(diào)整[4]。

2.2.2改進(jìn)方案將支架設(shè)計(jì)成了對(duì)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(dá)到300Hz，滿足設(shè)計(jì)要求，并且支架沒(méi)有增加安裝孔位，便于裝配。該方案在臺(tái)架試驗(yàn)中也取得了良好的效果，200小時(shí)振動(dòng)耐久試驗(yàn)以及250h熱沖擊試驗(yàn)均達(dá)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(cuò)的效果，裝配效果更加穩(wěn)定。

2.3模態(tài)計(jì)算與支架設(shè)計(jì)

通過(guò)多個(gè)類似催化器支架的設(shè)計(jì)，得到這樣的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：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(dòng)的角度和中間段軸線基本垂直，這恰好與改進(jìn)方案中的支架走向一致；而初始設(shè)計(jì)方案中的支架走向與催化器主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向存在一定的角度，從而影響了支架的效果，使剛度無(wú)法滿足要求。因此，我們?cè)诖呋髦Ъ艿脑O(shè)計(jì)初期，首先要關(guān)注主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式，并根據(jù)振動(dòng)的方向來(lái)設(shè)計(jì)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(duì)催化器流道設(shè)計(jì)的影響

催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)排氣性能產(chǎn)生很大影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮流場(chǎng)對(duì)氣流走向、壓力損失、流速均勻、載體前端流場(chǎng)偏心等參數(shù)的影響。在早期的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師更多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷流場(chǎng)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)真實(shí)的模擬流場(chǎng)內(nèi)部的氣流情況。圖2是某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)催化器的設(shè)計(jì)方案，由于裝車環(huán)境的限制，流場(chǎng)在前錐出現(xiàn)較大拐角。通過(guò)CFD分析，我們得到了圖2所示的流場(chǎng)分布結(jié)果。能夠看出，流場(chǎng)在載體及后錐等部分氣流速度分布規(guī)則、流場(chǎng)均勻，而在前錐位置，由于過(guò)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(huì)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(yán)重的渦流可能會(huì)加快襯墊的吹蝕，造成載體堵塞等嚴(yán)重失效。因此，我們對(duì)催化器前錐進(jìn)行了優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)，氣流在拐彎后沒(méi)有足夠的直線管道來(lái)幫助氣流方向恢復(fù)穩(wěn)定，因此優(yōu)化時(shí)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(huì)對(duì)整體氣流有優(yōu)化作用；最后我們發(fā)現(xiàn)，過(guò)大的錐形區(qū)域也給渦流的產(chǎn)生提供的空間，設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)的穩(wěn)定性。根據(jù)該思路，對(duì)催化器前端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，綜合考慮各個(gè)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(jì)成圖3所示相對(duì)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(chǎng)在催化器前端的流動(dòng)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(guò)進(jìn)一步計(jì)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(shuō)流場(chǎng)的分布情況滿足了設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

1）在催化器支架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮整體結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置形式、布置方向及其隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的主要振動(dòng)方向，催化器的主要振動(dòng)方向是其剛度的薄弱方向；

2）催化器支架設(shè)計(jì)前，應(yīng)首先對(duì)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)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(dòng)形式，根據(jù)振動(dòng)形式的分布，來(lái)確定支架的布置方向；

3）流場(chǎng)的合理性對(duì)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(guò)小的轉(zhuǎn)彎半徑，小半徑彎管不但工藝實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，對(duì)流場(chǎng)的均勻性也帶來(lái)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(xiàn)]

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

作者：董曉菲 單位：天津卡達(dá)克汽車高新技術(shù)公司