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汽车排气系统CAD/CAE集成开发方法 |
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作者：华中科技大学 张杰 金国栋 钟绍华 傅强 |
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摘要：本文探讨了一种新颖的汽车排气系统CAD/CAE 集成开发的思路和方法，此法将传统的经验设计理论与先进的专业软件应用结合起来。首先明确系统的需求和目标，然后建立起排气系统集成开发的环境，运用软件工程的思想进行整体规划和程序开发的模块化，这种设计方法在很大程度上提高了设计精度和功效。文中以消声器为例给出了其设计方法和在软件上实现的流程图。
关键词：排气系统 集成开发 催化转换器 消声器
1 排气系统开发现状分析
日益严格的排放法规和人类环境意识的增强对汽车节能净化提出了高标准的要求，而排气系统作为现代内燃机动力汽车的一个重要总成，其性能直接决定了发动机排气损失以及污染物和气动噪声的排放量，因此如何对排气系统进行有效的设计分析，如何使其与发动机合理匹配等，就成为现代汽车节能与净化的关键技术之一。
在我国长期以来，汽车排气系统的开发仍然停留在各部件单一设计，依赖简单理论估算、经验设计和大量试验的基础上[1]，这样不仅费时费力，给排气系统结构和性能的进一步优化带来困难；而且，单独对消声器或催化器局部分散设计不能完全反映排气系统的整体耦合特征，难以设计出令人满意的产品。随着计算机软硬件技术以及计算流体力学(CFD)等仿真分析软件的飞速发展 ，一些商用软件逐渐完善，成为研究设计人员的有效工具。例如通过对催化器和消声器进行数值模拟研究其阻力特性等[2]，这一方面为结构优化提供充分的理论指导，另一方面也大大降低了实际试验的工作量，缩短设计周期，并且可以探索多种可能设计。
然而单一的商用软件往往不能满足复杂系统的整体开发，而需要选择相关软件进行二次开发和科学集成。目前针对整个排气系统进行集成开发研究的还未见报道。为满足排气系统模块供应商产品开发的需要，我们选择了一些有专业特点的设计与分析软件，以数据库管理系统为纽带，以VC++为开发语言，对这些软件进行了集成和二次开发，初步完成了汽车排气系统CAD/CAE 软件，使其能在一个用户界面下完成整个排气系统的设计（CAD）与分析（CAE）功能，使传统的经验设计向精确的理论设计过渡，很大程度上提高了设计精度和功效。
2 排气系统CAD/CAE 系统的任务和功能
2.1 任务要求
汽车排气系统的设计是在给定发动机边界条件、给定底盘布置的几何约束条件，给定国家对排气噪声、污染物限值指标的法规限定，给定主机厂对发动机功率损失等其它约束性要求的条件下，通过CAD/CAE设计分析软件对发动机排气系统进行初步设计、性能分析和详细设计，获得与该车型、发动机匹配最佳的排气系统产品。为此，发动机排气系统CAD/CAE 软件的任务从产品划分来看，主要有三个，即消声器设计分析、催化转换器设计分析和整个排气系统的设计分析，从性能指标的划分来看，主要涉及排放指标、声学性能和发动机输出效率三个方面的协调优化（见图1）。
图1 排气系统设计的任务要求
2.2 主要功能
排气系统CAD 主要根据所选定的汽车和发动机来确定排气系统的型式、结构、参数和性能，包括绘制系统总成和零部件三维工程图，将传统的人工设计变为计算机辅助下的半自动设计；排气系统CAE 主要对已初步设计的排气系统或现有排气系统完成分析计算，包括分析其与发动机匹配时整个系统的性能参数。具体来说排气系统CAD/CAE 所要完成的功能主要有：
1）催化转换器初步设计。根据发动机排气流量、排放物浓度和法规要求，初步确定催化转换器的载体类型、体积、形状，转换器结构、尺寸等；
2）消声器初步设计。根据发动机类型、转速、排气压力等特征、法规要求等，初步确定消声器类型、级数、结构、尺寸、吸声材料等；
3）排气系统的初步设计。根据底盘布置要求和排气系统中消声器、催化转换器、排气管系组成等，初步确定管系尺寸和相关装置的位置、连接方式、悬挂方式等；
4）催化转换器性能仿真分析，包括规定工况下污染物比排放率的预测；
5）消声器性能仿真分析，包括在规定转速和负荷下的消声器插入损失、功率损失、发动机排气背压，排气噪声预测等；
6）与发动机耦合的整个排气系统的性能分析；
7）实现催化转换器、消声器以及整个排气系统与发动机的匹配计算；
8）输出排气系统的总图以及催化转换器、消声器的零部件结构图；
9）输出经处理后的排放污染物的参数以及排气噪声、功率损失、插入损失、排气背压等参数。
3 汽车排气系统CAD/CAE 集成开发环境的建立
3.1 系统的组织结构
为满足排气系统CAD/CAE 的任务要求，我们可以建立如图2 所示的系统组织结构图。其中，基础软件层和支撑软件层是外购的用于排气系统设计分析的商用软件，它们是排气系统CAD/CAE 的基础，为相应的设计、开发、集成、运行与维护提供全面的服务；也为功能应用层提供有力的支持和灵活多样的工具。
界面层为用户使用该系统软件提供了一个方便友好的环境。
图2 系统集成开发环境的组织结构
3.2.1 硬件配置
PIII600 以上微机；
256M 以上内存；
10G 以上硬盘空间；
WINDOWS2000 及以上操作系统。
3.2.2 软件配置
集成开发环境中的应用软件主要包括三维CAD造型软件（UG-II、Solidworks、Pro-E等），发动机性能仿真软件（BOOST、HUST-MK14、GT-Power 等），车辆性能仿真软件（Cruise、Advisor 等），CFD软件（STAR-CD、Fluent 等），声学分析软件（Sysnoise 等），数据可视化分析计算软件（MATLAB 等）。
上述软件根据项目需要选定，均在Windows 操作环境下工作，自编软件部分采用VC++开发语言[3]。
3.3 程序开发的主要内容
用户界面层和功能应用层是我们要开发的部分，所编写的程序代码要实现图3 中的虚线部分内容。程序开发主要有三部分内容：用户界面、功能模块和数据接口。用户界面采用VC++6.0 在Windows 2K 或XP 操作系统下开发，因此所开发的应用程序也具有Windows 操作系统界面风格，采用下拉式功能菜单设计，界面清晰友好。窗口的菜单栏、工具条和视图域等的设置和布局视功能需要而定。它要完成所有的任务调度和功能模块的管理。
图3 程序开发的内容
功能模块的开发可以采用VC++，也可采用MATLAB 等其他的语言编程，它包括排气系统、催化转换器和消声器的设计过程、软件公用模块和计算结果显示等。这些功能模块的数据输入和输出都是基于数据库或者图形库。
数据库既是系统输入数据的来源，又是计算结果的存储目的地。数据库记录着结构、性能参数、功能模块的过程数据和计算结果。采用关系数据库建立整车、发动机、催化转换器和消声器四个数据表，它们相对独立又相互关联，一条完整的数据记录是产生于这些数据表的一个视图。选择中小型的数据库平台，并考虑数据合理而有序的流动，编写数据库操作功能函数来实现各种软件之间数据格式的相互转换。
排气系统的基本三维结构模型和部分设计结果需要用到图形显示，图形库以文件的形式单独存放。与数据库的联接是软件处理图形信息的关键，本软件采用一些数据库操作命令，可使数据库中的某字段与图形文件相关联，还可以从图形中提取必要的参数信息。
4 软件设计的整体规划
为了便于开发和维护，可以将软件在具体编程实现中划分为主程序、催化转化部分设计分析程序、消声器部分设计分析程序、排气系统计算分析程序、公用模块五个部分。
4.1 主程序
功能：用于处理用户操作，包括各种原始数据的输入、查询和修改等操作，数据的存取，以及计算结果的显示等。相当于整个系统的外壳，即用户界面。用户的操作全部集中在这一部分处理。
功能模块： 指通过程序界面，用户所能使用的系统功能。包括系统数据维护、简单的编辑、催化转换器设计、消声器设计、排气系统分析、后处理器（显示/打印结果）、系统设置等。
4.2 催化转换器部分设计分析程序
功能：集中处理催化转换器部分的计算、设计与分析。基本流程为输入/读取数据→计算分析→输出/存储结果。
功能模块：指与催化器相关的各种子模块。包括初步经验设计理论、结构参数的选择、转化效率预测、催化器流动数学模型、压力损失计算等。
4.3 消声器部分设计分析程序
功能：集中处理消声器部分的计算、设计与分析。基本流程为输入/读取数据→计算分析→输出/存储结果。
功能模块：指与消声器相关的各种子模块。包括初步经验设计理论、结构参数的选择、声学性能参数计算、消声器的传递损失、插入损失、压力损失、消声器性能分析等。
4.4 排气系统计算分析程序
功能：整个排气系统的计算、设计与分析。基本流程为输入/读取数据→计算分析→输出/存储结果。
功能模块：指排气系统的各种子模块。包括发动机理论模型、底盘布置参数处理、各部件的耦合、与发动机匹配分析、局部流场分析、车辆排放性能预测等。
4.5 公用模块
本部分用于提供其他各部分都需要用到的一些功能函数，包含以下几种模块：
数据库操作模块
功能：封装数据库的基本操作，为其他各个程序模块提供接口。数据库操作以Microsoft® Data Access Components(MDAC)为基础，可以适用于各种Windows 平台的数据库，包括单机和网络。
形式：DLL 动态库文件，供其他程序调用。
界面管理模块
功能：封装界面元素，为其他程序提供接口，主要用于创建各种风格的程序界面。
形式：DLL 动态库文件。
其他公用函数库
功能：封装其他各个模块都需要用到的函数、类以及资源等。
形式：DLL 动态库文件。
5 排气系统设计分析方法示例
下面以排气系统的消声器设计为例来说明其设计方法和在计算机软件系统上的实现流程。
为实现消声器的设计目标，我们采用二步设计法[4]。第一步根据发动机参数、噪声特性、降噪要求和安装空间等限定条件，应用经验知识和声学四端网络理论对消声器的结构型式及主要参数进行初选，形成几种初步的设计方案；第二步用GT-Power 软件的分析模型对重点设计方案进行详细的计算分析。根据不同情况，详细计算可以对单独的消声器、包括消声器在内的排气系统、包括发动机和消声器在内的发动机排气系统进行，以获得更精确的噪声降低值、流动损失或功率损失。这样从中优选出最合理的方案型式，再对优选的方案进行局部的参数调整，以达到整体优化并完成设计。
5.1 以四端网络法为主的消声器初步设计
声学四端网络模型(又称四极子线路)是建立在声波与电或机械振动相类比而形成的声线路的基础上的一维消声模型，它是用一维平面波的声线路来描述消声器消声单元。将汽车排气系统视为一个整体，并考虑到声管中的声抗可忽略，其等效线路为图4 所示。
图4 考虑声源的汽车排气系统
在初步设计过程中，可以先利用一些经验公式来选择消声器的结构形式，确定消声器容积和截面尺寸，估算出各节扩张室长度和扩张比，确定共振室结构参数，初步计算消声量；然后根据图4 所示的声学四端网络模型对不同结构的抗性消声器之传递损失和插入损失进行预测。
5.2 消声器声学性能分析
评价汽车消声器性能的指标一般采用消声量和功率损失。消声量通常使用插入损失和传递损失来衡量。功率损失是指消声器对气流的阻碍作用而造成的发动机功率下降，一般用它作为消声器对内燃机性能影响的指标。功率损失可以由消声器的压力损失来表示[5]，消声器压力损失大，则排气背压大，排气过程推出功就大，功率损失也就大。而压力损失计算方便，只要计算消声器入口和出口处的气流压力差，在模型上对消声
器前后压力进行输出/打印设置即可。
GT-Power 软件提供了计算这些性能指标的功能模块和方法[6]。这些功能模块主要有：
AcoustExtMicophone 模块相当于一个外置式麦克风，它能根据声源特性将气流的压力波模拟成声波，此声波还可以通过模块AcoustToWAVFile 转换成声波文件由媒体播放器播放出真实的声音。
AcoustInsLoss 是插入损失的计算模块，其原理是计算两个外置麦克风之间的声压级之差。由于插入损失与声源特性有关，因此计算时必须要将消声器与发动机相连。
AcoustTransLoss 是传递损失的计算模块，它是采用Chung 和Blaser 的理论和方法在四个外置麦克风之间通过自相关和互相关谱得到声功率级之差。
EndFlowSpeaker 用能产生随机白噪声的扬声器作为声源，模拟双话筒随机噪声试验方法， 对消声器结构进行优化和对不同结构的消声器进行对比分析。
5.3 软件设计基本流程图
根据以上设计过程和分析方法，可以绘出其在软件系统中实现的基本流程图，如图5 所示。需要指出的是，实际开发并非采用顺序工程的方法，而是考虑采用并行工程的思想；另外，局部的计算和分析功能模块需要进一步细化。
图5 消声器设计基本流程
6 结论
1）本文以一种新颖的设计思想将传统的经验理论设计和先进的专业软件应用结合起来，集成开发汽车排气系统CAD/CAE 软件，在很大程度上提高了设计精度和功效，为此类产品的设计开发提供了一条高效、优化、低成本的思路和方法。
2）软件工程和面向对象的思想在本设计过程中得到了很好的体现，先对系统作可行性和需求分析，明确总目标和阶段性目标；然后进行系统设计，设计的流程是构造软件系统的基础；程序开发功能模块化；设计完成进行测试维护；并考虑系统的通用性、移植性和可扩充性等问题。
3）排气系统的设计与其他总成相比较有其自身的特点，主要体现在其理论的复杂性，它涵盖了振动、噪声以及流体力学等多学科领域的内容。GT-Power 是一种优秀的发动机性能模拟与仿真软件，被称为“虚拟发动机”。它丰富的解析机能，准确的物理模型和简单而方便的建模方法，适用于对各种发动机进行性能仿真，也为发动机及零部件的设计者提供了一种很好的CAE 分析工具。
4）集成设计方法的重点是如何将一些通用软件有效地集成起来完成一个特定总成的设计与分析工作，探讨集成系统的体系结构、功能分解、集成建模方法、集成规划设计和集成系统的调度与控制；系统数据的结构形式，数据合理而有序的流动，以及应用软件之间数据格式的相互转换。
参考文献
1 黎志勤等. 汽车排气系统噪声与消声器设计. 北京:中国环境科学出版社， 1991，12
2 帅石金， 王建昕等. 车用催化器流动阻力的试验与理论研究. 北京：车用发动机， 2001， 2
3 肖民， 张幽彤， 程昌圻. 内燃机进排气系统计算机辅助集成开发. 华东船舶工业学院学报， 2000， 8
4 谢田峰， 金国栋， 钟绍华. GT -Power 在内燃机排气消声器设计中的应用. 重庆：内燃机， 2003， 1
5 Thomas Morel and John Silvestri. Modeling of Engine Exhaust Acoustics. SAE Paper 991665
6 GT-POWER TUTORIAL version 5.2.Gamma Technology. DECEMBER 2001(end)
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(5/16/2005) |
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