汽車(chē)催化器設計中計算機仿真技術(shù)的應用論文
[摘要]
隨著(zhù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機及排放技術(shù)的發(fā)展，催化器的設計也對工程師提出了越來(lái)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(chē)催化轉化器設計中的應用。CAE以及CFD技術(shù)的應用，大幅縮短了汽車(chē)催化器設計的周期，且降低了設計成本，使催化器產(chǎn)品的可靠性得到顯著(zhù)提升。相關(guān)的分析工作表明催化器支架設計前，應首先對整體結構的模態(tài)進(jìn)行評價(jià)，根據振動(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)小的轉彎半徑導致的紊流現象。
[關(guān)鍵詞]CAE；模態(tài)；剛度；沖壓工藝
1前言
近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)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�。汽�?chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶給人們出行便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了日益嚴重的環(huán)境問(wèn)題，對人體健康造成了損害[1]。因此尾氣排放成為了評價(jià)整車(chē)性能的重要標準。國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的制定和執行，愈發(fā)體現出了催化器對整車(chē)性能的重要性，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)的不斷發(fā)展，對催化器的設計也提出了更高的要求，緊耦合式歧管、渦輪增壓技術(shù)都使催化器的結構朝著(zhù)異形化的方向發(fā)展，催化轉化器在設計中不但要滿(mǎn)足高溫、強震動(dòng)下的剛度要求，更要實(shí)現最優(yōu)化的內部流場(chǎng)結構。
2模態(tài)分析對結構設計的影響
作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機排氣系統的重要組成部分，催化器決定了汽車(chē)排放性能的優(yōu)劣。隨著(zhù)汽車(chē)排放標準的不斷提升，催化器的位置也越發(fā)靠近發(fā)動(dòng)機熱端，目前常見(jiàn)的排放系統，常常將催化器布置在發(fā)動(dòng)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(mǎn)足排氣系統的使用壽命的要求，在催化器的設計階段，就必須考慮結構的強度、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(dòng)機設計準則中，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，根據材料力學(xué)性能的試驗數據，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，使得載體區域壁面溫度較高，約為800~900℃，非載體區域的壁面溫度在400~500℃之間。
2.1.2材料屬性的定義在模態(tài)計算時(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)驗手段測得不銹鋼材料彈性模量隨溫度的變化關(guān)系，根據實(shí)驗數據曲線(xiàn)擬合成二次多項式：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)行設定，泊松比一般取在0.2~0.3之間。對于排氣管內的氣體，假設其為理想氣體，是單向的牛頓流體，在進(jìn)行計算時(shí)，設定其可壓縮性對計算結果會(huì )產(chǎn)生明顯影響，馬赫數MH=V/a，V為當地速度，a為當地音速；當MH＜0.3時(shí)，為不可壓縮，當MH≥0.7時(shí)肯定為可壓縮流體，如果用不可壓縮法計算，結果就會(huì )有明顯的差別[3]。
2.2計算結果
2.2.1初始設計結構在初始設計中，考慮到發(fā)動(dòng)機安裝空間的情況，將催化器支架設計成為圖1中右側的結構，該支架與中間段軸線(xiàn)呈傾斜布置，該方案的一階模態(tài)160Hz，沒(méi)有達到催化器的設計要求。而在后續的臺架試驗中，催化器的確在在中間段位置出現了多次斷裂。說(shuō)明該設計方案的確不能滿(mǎn)足剛度要求。改進(jìn)方法主要針對催化器支架進(jìn)行，通過(guò)對支架的位置、走向進(jìn)行優(yōu)化及整體剛度的調整[4]。
2.2.2改進(jìn)方案將支架設計成了對稱(chēng)的“雙L”型結構，并且支架的布置方向與中間段軸線(xiàn)垂直。該支架作用下的整體模態(tài)達到300Hz，滿(mǎn)足設計要求，并且支架沒(méi)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(shí)振動(dòng)耐久試驗以及250h熱沖擊試驗均達到了滿(mǎn)意的效果；另外，良好的裝配工藝性，也在后續的量產(chǎn)中收獲了不錯的效果，裝配效果更加穩定。
2.3模態(tài)計算與支架設計
通過(guò)多個(gè)類(lèi)似催化器支架的設計，得到這樣的設計經(jīng)驗：支架的走向對整體結構的模態(tài)有明顯的影響。產(chǎn)品振動(dòng)的角度和中間段軸線(xiàn)基本垂直，這恰好與改進(jìn)方案中的支架走向一致；而初始設計方案中的支架走向與催化器主體結構的振動(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(mǎn)足要求。因此，我們在催化器支架的設計初期，首先要關(guān)注主體結構的振動(dòng)形式，并根據振動(dòng)的方向來(lái)設計支架走向，保證催化器支架能最大限度的提升整體結構的剛度。
3CFD分析對催化器流道設計的影響
催化轉化器的內部流場(chǎng)結構會(huì )對排氣性能產(chǎn)生很大影響，在設計時(shí)需要充分考慮流場(chǎng)對氣流走向、壓力損失、流速均勻、載體前端流場(chǎng)偏心等參數的影響。在早期的排氣系統設計中，設計師更多通過(guò)經(jīng)驗來(lái)判斷流場(chǎng)的結構是否合理；而隨著(zhù)CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)能通過(guò)計算機仿真來(lái)真實(shí)的模擬流場(chǎng)內部的氣流情況。圖2是某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機催化器的設計方案，由于裝車(chē)環(huán)境的限制，流場(chǎng)在前錐出現較大拐角。通過(guò)CFD分析，我們得到了圖2所示的流場(chǎng)分布結果。能夠看出，流場(chǎng)在載體及后錐等部分氣流速度分布規則、流場(chǎng)均勻，而在前錐位置，由于過(guò)大的拐角，導致氣流在拐彎后的錐形區域形成渦流。載體前部渦流會(huì )影響流入載體截面氣流的均勻性，影響催化轉化效果；另外，嚴重的渦流可能會(huì )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(jìn)行了優(yōu)化，我們發(fā)現，氣流在拐彎后沒(méi)有足夠的直線(xiàn)管道來(lái)幫助氣流方向恢復穩定，因此優(yōu)化時(shí)應該考慮在拐彎后增加適當的直線(xiàn)管路；另外，氣流在拐彎內側部分氣流速度最大，并在該處形成離心現象，導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，降低氣流的離心現象，也會(huì )對整體氣流有優(yōu)化作用；最后我們發(fā)現，過(guò)大的錐形區域也給渦流的產(chǎn)生提供的空間，設計時(shí)合理的減小該錐形空間，能夠減小渦流產(chǎn)生的規模，提高整體流場(chǎng)的穩定性。根據該思路，對催化器前端的結構進(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域，因此設計成圖3所示相對扁平的錐體結構，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，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域的影響，通過(guò)進(jìn)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，應該說(shuō)流場(chǎng)的分布情況滿(mǎn)足了設計要求。
4結論
1）在催化器支架設計時(shí)，應充分考慮整體結構在發(fā)動(dòng)機上的布置形式、布置方向及其隨發(fā)動(dòng)機工作時(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）催化器支架設計前，應首先對整體結構的模態(tài)進(jìn)行評價(jià)，通過(guò)CAE手段得到其整體結構在各階固有頻率（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)小的轉彎半徑，小半徑彎管不但工藝實(shí)現比較復雜，對流場(chǎng)的均勻性也帶來(lái)不利影響；另外，在角度突變的區域應該避免出現較大錐形空間出現。
[參考文獻]
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