CN1713183A

CN1713183A - 汽车消声器的设计及模拟测试方法

Info

Publication number: CN1713183A
Application number: CNA2005100169650A
Authority: CN
Inventors: 万卓非; 王立新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2005-12-28

Abstract

本发明是一种汽车消声器的设计及模拟测试方法，它是通过使用三维软件进行3D造型；使用有限元软件对三维造型所建的模型进行结构静力分析和动力学分析；通过一维消声器软件对模型进行汽车消声器的一维插入损失和传递损失的设计及模拟测试；通过三维消声器软件来实现三维汽车消声器的流体动力学分析及模拟测试；通过声学分析软件来进行对汽车消声器的辐射噪声分析模拟测试；通过以上五个软件的设计模拟测试过程得到的数据参数准确、便捷，可以进行汽车消声器制造生产，避免传统方法的浪费人力、物力、财力和工作效率低等缺欠。

Description

汽车消声器的设计及模拟测试方法

技术领域

本发明涉及汽车消声器的设计及模拟测试方法，尤指一种通过计算机软件实现汽车消声器设计及模拟测试方法。

背景技术

众所周知，安全、节能、环保是现代汽车最重要的三大课题；我国越来越重视建立节约型社会和走可持续发展的道路，随着汽车数量的迅猛增加，能源的消耗和对环境的影响越来越大，所以国家对汽车业制定了日益严格的各种法规，强制要求执行。汽车发动机的消声器设计不合理，发动机排气损失大，功率下降，油耗增加；噪声和排放达不到环保要求；会带来汽车产品不能出口、不能在大城市销售和被禁止使用等一系列问题。

汽车发动机排出的工作废气还具有相当大的能量：具有很高的温度，600～750℃，很高的压力，200～500Kpa，很高的速度，500～600m/s；这种高能量的工作废气如果直接排入大气，就是一个大的噪声源，它产生强烈的爆破声，随着发动机转速的提高，又会变成尖锐的刺耳响声；发动机在低速时，主要是“脉动噪声”，它的频率比较低；在高速时主要是“气流噪声”，它具有频带宽、频率高的特点；基于发动机排出的工作废气具有能量高、流速大、频谱成分宽的特点，消声的措施就是使排气降温至低于100℃、降压至125Kpa以下、减速至100m/s以下；使其变成接近于无波动的平稳气流，无声的释放到大气中去。

为此，消声的基本原理大致可以分为以下四种：

1)用声波来消除声波，即声波干涉型；

2)利用共振或谐振原理的共振器型；

3)改变排气通道的截面积的阻抗型；

4)使用耐热、耐腐蚀的吸声材料的吸声型。

根据声波干涉和共振原理设计的消声器称为抗性消声器，它能有效的抑制、衰减排气中低频噪声；根据阻抗和吸声原理设计的消声器称为阻性消声器，它能有效的抑制、衰减排气中的高频噪声；为了得到良好的消声效果，汽车发动机上的消声器，都不单独使用上述两大类消声器中任何一种，而是综合使用，有时还不只用一个消声器，特别是轿车有的用两个甚至三个消声器。

在国内现在各个汽车消声器生产厂家的设计要么是仿照国外的消声器产品，要么是按照传统的方法画图设计制造出产品，然后进行测试，达不到要求的技术指标，再重新设计制造；如此反复造成大量的人力资源和材料资源的浪费，不但工作效率低下，而且最终产品性能还是达不到使用要求；如附图1所示，为常见的汽车消声器立体结构示意图，其中，1’为消声器排气尾管、2’为中间排气管、3’、5’为两个多孔的扩散管、4’为中间隔板、6’为椭圆状外壳、7’为消声器进气管、8’为石棉衬垫、9’为发动机排气总管；该产品存在如下几个缺点：一是因总体积小，约为5L，仅为该发动机排量的两倍，使低频消声性能差；二是在25Hz附近有共振现象，同时散热性能不好；使消声器本身易损坏，使用寿命低；三是消声器使发动机功率下降比较明显，在2000r/min时，功率下降3.35％，在4000r/min时功率下降高达11.65％，汽车油耗必然大幅上升。由以上分析可见随着国家有关汽车环保节能法规愈来愈严格，汽车性能越来越高，使用工况越来越广，要求消声器构造也越来越复杂，用一般的设计和测试方法已远远满足不了要求，迫切需要一种新的科学的消声器设计和模拟测试方法以满足现代化的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车消声器的设计及模拟测试方法，解决了现有汽车消声器的设计及模拟测试中存在的产品质量及技术指标难以保证及其工作效率低、浪费人力、物力、财力等缺欠。

本发明的技术方案是：首先找出在相应使用条件下的环境噪声控制标准；其次找到所要设计的汽车消声器所对应的汽车发动机的技术参数和底盘的几何参数；然后就可以利用计算机软件来实现汽车消声器的设计及模拟测试，其流程如下：

(一)、使用三维造型软件实现汽车消声器的三维造型设计。三维造型软件所创建的3D模型除了为以后制造提供图纸，也是为下一步模拟测试提供了模型；

(二)、使用有限元软件对三维造型所建的模型进行结构静力分析和动力学分析，静力分析主要用来求解汽车消声器外部载荷引起的位移、应力和应变，静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题，静力分析指分析固定不变的载荷作用下的结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷；动力学分析中包括模态分析、谐响应分析、瞬态分析，模态分析主要用于汽车消声器自身结构的固有频率的分析，使工程师在设计过程中尽量防止出现结构所承受的载荷与其固有频率相同的状况，而产生共振现象；瞬态分析用于分析汽车消声器机构随时间变化的载荷的响应，保证结构在承受冲击载荷时不出现损伤；

(三)、在一维消声器软件中使用三维造型所建的模型或自建模型进行汽车消声器的一维插入损失和传递损失的设计及其模拟测试。在一维消声器软件中可以通过计算并显示所设计的汽车消声器的固有的传递损失和通过连接发动机模型进行插入损失的计算模拟测试；

(四)、通过三维消声器软件来实现三维汽车消声器的流体动力学分析及其模拟测试，在一维汽车消声器软件的设计模拟测试是对消声器内部声场的近似理论的分析，当消声器截面几何尺寸较小，且噪声频率不太高，例如小于1000Hz的情况下，这种分析方法是适用的，但当噪声频率提高，实验结构与理论分析均表明，在消声器扩张腔内存在有高次模式波，这时平面波与线性化假设不再适用，而应用更加精确的三维理论来进行分析；

(五)、汽车消声器的辐射噪声是通过声学分析软件来进行分析模拟测试的，在声学软件中使用有限元软件中划分网络的数据来进行域场中的辐射噪声的分析模拟测试；

经过以上五个软件的设计模拟测试过程得到的数据参数，就可以进行汽车消声器的制造生产，这种方法避免了传统方法的浪费和效率低的问题。

本发明的优点在于：

1、避免实物制造过程中的人力、物力、财力的浪费；

2、通过3D造型可以直接观察消声器的外型；

3、通过有限元分析，可以预知消声器的应力、应变情况，为工程师设计提供确切参数；

4、通过一维消声器软件计算，可以直接得到消声器的插入损失和传递损失，避免用实物测量造成的浪费；

5、通过三维消声器软件可以观察到实物看不到的流体在消声器管道内的流动情况；

6、通过辐射噪声软件，可以模拟消声器在自然状态下的声音、辐射情况，避免实测中外界测量结果的干扰。

附图说明：

图1为常见的汽车消声器立体结构示意图；

图2为本发明消声器实施例的3D造型示意图；

图3为本发明的设计及模拟测试流程图。

具体实施方式：

如附图2及附图3所示，本发明的实施例以某轿车的消声器为例说明其设计模拟测试过程：

首先，找到现在相应使用条件下的环境噪声控制标准，然后找到此轿车的发动机技术参数和底盘的几何技术参数，发动机技术参数包括有发动机布置方式为水冷直列四缸、气道顺序喷射；缸径为74mm、冲程为75.5mm；排量为1.298L；压缩比为9.5；标定转数为6000r/min；最大转速为6500r/min；进/排气升程为1.5mm/1.7mm；标定功率为63KW/6000rpm；最大扭矩为110N.m/3500～4500rpm；底盘几何技术参数包括有：消声器整体长度为Amm；消声器外圆直径为Bmm；消声器长度为Cmm连接管道直径为Dmm；

如附图3所示的设计模拟测试流程图，第一步使用三维造型软件实现汽车消声器的3D造型，设计出如附图3所示的汽车消声器的实施例的3D造型图；其中，1为出气端、2为插入管、3为隔板、4为外壳、5为进气端、6为吸声材料、7为消声孔；该3D造型可为以下过程提供模型数据；

第二步使用有限元软件对三维造型所建的模型进行结构的静力分析和动力学分析，即用有限元软件对3D模型进行前处理，产生划分网格的数据模型可以为在声学分析软件中使用；前处理是指建立有限元模型的过程，它包括创造实体模型、定义单元及材料属性，划分网格，修正模型等几项内容；有限元模型主要来源有两种，即在自身平台建模和导入造型软件中创建的有限元模型，并以此划分内部节点和单元；对前处理的数据进行加载和求解，即是在实体模型边界上施加载荷或约束条件，选择合理的求解器求解；用求解的数据进行后处理，查看和分析有限元的计算结果；

第三步为在一维消声器软件中使用3D模型或自建模型，对汽车消声器的模型进行离散化处理及添加测试模拟物理条件进行计算，产生结果数据，在一维消声器软件中可以通过计算并显示出所设计的汽车消声器的固有传递损失和插入损失的计算模拟测试；所谓的插入损失为安装消声器前后在某固定测点处测得的计数声级的差，插入损失不仅与消声器的消声性能有关，而且与声源特性、消声器出口端阻抗有关；传递损失为消声器入口和出口处的声功率级之差，它反映了消声器入口的入射声能与出口的透射声能之比；传递损失的特点是仅反映消声器本身的传递特性，而不受声源管道系统和消声器出口端尾管的影响，即与声源、消声器出口端阻抗无关；后置处理，进行分析结果数据以及模拟；

第四步通过三维消声器软件来实现三维汽车消声器的流体动力学分析及模拟测试，在一维汽车消声器的设计模拟测试是对消声器内部声场的近似理论的分析，当消声器截面几何尺寸较小，且噪声频率不太高，例如：小于1000Hz的情况下，这种分析方法是适用的，但当噪声频率提高，实验结果与理论分析均表明，在消声器扩张腔内存在有高次模式波，这时平面波与线性化假设不再适用，而应采用更加精确的三维理论来进行分析，即在三维消声器软件中使用3D模型或自建模型，并对3D模型进行网格划分及修补，产生单元；用产生的单元模型进行流体动力计算产生结果数据，最后查看后置处理，分析计算结果；

第五步是使用声学分析软件来对消声器模型进行辐射噪声分析模拟测试，在声学软件中使用有限元软件中划分网格的数据来进行域场中的辐射噪声的分析模拟测试，先导入有限元前置处理的数据，再进行计算并设置声域场，最后查看辐射的噪声在声场中的情况。

Claims

1、一种汽车消声器的设计及模拟测试方法，其特征在于：

(一)、使用三维造型软件实现汽车消声器的三维造型设计。三维造型软件所创建的3D模型提供汽车消声器的制造图纸；

(二)、使用有限元软件对三维造型所创建的模型进行结构静力分析和动力学分析，静力分析主要用来求解汽车消声器外部载荷引起的位移、应力和应变；动力学分析主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态分析；

(三)、使用在一维消声器软件对三维造型所建的模型或自建模型进行汽车消声器的一维插入损失和传递损失的设计及其模拟测试；在一维消声器软件中可以通过计算并显示所设计的汽车消声器的固有的传递损失和通过连接发动机模型进行插入损失的计算模拟测试；

(四)、通过三维消声器软件来实现三维汽车消声器的流体动力学分析及其模拟测试，在一维汽车消声器软件的设计模拟测试是对消声器内部声场的近似理论的分析，只适用于消声器截面几何尺寸较小，且噪声频率不太高的情况下，当噪声频率高，在消声器扩张腔内存在有高次模式波，应采更加精确的三维理论来进行分析；

(五)、通过声学分析软件来进行对汽车消声器的辐射噪声分析模拟测试，在声学软件中使用有限元软件中划分网格的数据来进行域场中的辐射噪声的分析模拟测试。

2、根据权利要求1所述的一种汽车消声器的设计及模拟测试方法，其特征在于：所说的设计模拟测试流程如下：

(一)使用三维软件进行3D造型；

(二)用有限元软件对3D模型进行前处理，产生划分网格的数据模型，可在声学分析软件中使用；对前处理过的数据进行加载和求解；用求解的数据进行后处理，查看和分析有限元的计算结果；

(三)在一维消声器软件中使用3D模型或自建模型，对模型进行离散化处理，添加测试模拟的物理条件，进行计算、产生结果数据，后置处理，分析结果数据及模拟测试；

(四)在三维消声器软件中使用3D模型或自建模型，对3D模型进行网格划分及修补，产生单元，用产生的单元模型进行流体动力计算产生结果数据，查看后置处理，分析计算结果数据；

(五)在声学分析软件中导入有限元前置处理数据，进行计算，设置声场，查看辐射噪声在声场中情况。