汽車催化器設計中計算機仿真技術的應用

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[摘要]

隨著汽車發動機及排放技術的發展，催化器的設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，特別是CAE和CFD技術在汽車催化轉化器設計中的應用。CAE以及CFD技術的應用，大幅縮短了汽車催化器設計的周期，且降低了設計成本，使催化器產品的可靠性得到顯著提升。相關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進行評價，根據振動形式的分布來確定支架的布置方向；流場的合理性對產品的性能產生重要影響，載體前端部分要盡量避免過小的轉彎半徑導致的紊流現象。

[關鍵詞]CAE；模態；剛度；沖壓工藝

1前言

近年來，隨著汽車產業的高速發展，汽車已經走進眾多的家庭，正逐步從奢侈品變為城市生活的必需品。汽車產業的發展帶給人們出行便捷的同時，也帶來了日益嚴重的環境問題，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行，愈發體現出了催化器對整車性能的重要性，隨著發動機技術的不斷發展，對催化器的設計也提出了更高的要求，緊耦合式歧管、渦輪增壓技術都使催化器的結構朝著異形化的方向發展，催化轉化器在設計中不但要滿足高溫、強震動下的剛度要求，更要實現最優化的內部流場結構。

2模態分析對結構設計的影響

作為汽車發動機排氣系統的重要組成部分，催化器決定了汽車排放性能的優劣。隨著汽車排放標準的不斷提升，催化器的位置也越發靠近發動機熱端，目前常見的排放系統，常常將催化器布置在發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、強振的工作環境中。為了滿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，催化器的模態對催化器的性能至關重要，目前的四缸發動機設計準則中，一般要求催化器在高溫下的一階模態達到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，根據材料力學性能的試驗數據，800℃時的不銹鋼材料性能大約只有常溫下材料性能的1/6，因此進行模態分析時必須要考慮溫度場帶來的影響。由于發生化學反應，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系，根據實驗數據曲線擬合成二次多項式：將此公式作為模態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，在進行計算時，設定其可壓縮性對計算結果會產生明顯影響，馬赫數MH=V/a，V為當地速度，a為當地音速；當MH＜0.3時，為不可壓縮，當MH≥0.7時肯定為可壓縮流體，如果用不可壓縮法計算，結果就會有明顯的差別[3]。

2.2計算結果

2.2.1初始設計結構在初始設計中，考慮到發動機安裝空間的情況，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呈傾斜布置，該方案的一階模態160Hz，沒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。說明該設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、走向進行優化及整體剛度的調整[4]。

2.2.2改進方案將支架設計成了對稱的“雙L”型結構，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達到300Hz，滿足設計要求，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，也在后續的量產中收獲了不錯的效果，裝配效果更加穩定。

2.3模態計算與支架設計

通過多個類似催化器支架的設計，得到這樣的設計經驗：支架的走向對整體結構的模態有明顯的影響。產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；而初始設計方案中的支架走向與催化器主體結構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計初期，首先要關注主體結構的振動形式，并根據振動的方向來設計支架走向，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結構會對排氣性能產生很大影響，在設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的影響。在早期的排氣系統設計中，設計師更多通過經驗來判斷流場的結構是否合理；而隨著CFD技術的不斷發展，人們已經能通過計算機仿真來真實的模擬流場內部的氣流情況。圖2是某渦輪增壓發動機催化器的設計方案，由于裝車環境的限制，流場在前錐出現較大拐角。通過CFD分析，我們得到了圖2所示的流場分布結果。能夠看出，流場在載體及后錐等部分氣流速度分布規則、流場均勻，而在前錐位置，由于過大的拐角，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化，我們發現，氣流在拐彎后沒有足夠的直線管道來幫助氣流方向恢復穩定，因此優化時應該考慮在拐彎后增加適當的直線管路；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，也會對整體氣流有優化作用；最后我們發現，過大的錐形區域也給渦流的產生提供的空間，設計時合理的減小該錐形空間，能夠減小渦流產生的規模，提高整體流場的穩定性。根據該思路，對催化器前端的結構進行了優化，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，完成了優化后的方案。優化后的流場在催化器前端的流動更加平穩，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，應該說流場的分布情況滿足了設計要求。

4結論

1）在催化器支架設計時，應充分考慮整體結構在發動機上的布置形式、布置方向及其隨發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）催化器支架設計前，應首先對整體結構的模態進行評價，通過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）下的振動形式，根據振動形式的分布，來確定支架的布置方向；

3）流場的合理性對產品的性能產生重要影響，載體前端部分要盡量避免過小的轉彎半徑，小半徑彎管不但工藝實現比較復雜，對流場的均勻性也帶來不利影響；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]

[1]陶麗芳.汽車發動機排氣系統性能分析研究[J].重慶大學碩士學位論文,2005.

[2]趙海瀾.汽車排氣系統懸掛點優化[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構優化[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分析[J].汽車工程,2000.

[5]宋學官.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公司