專(zhuān)利名稱(chēng)：汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法，尤指一種通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)汽車(chē)消聲器設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，安全、節(jié)能、環(huán)保是現(xiàn)代汽車(chē)最重要的三大課題；我國(guó)越來(lái)越重視建立節(jié)約型社會(huì)和走可持續(xù)發(fā)展的道路，隨著汽車(chē)數(shù)量的迅猛增加，能源的消耗和對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越大，所以國(guó)家對(duì)汽車(chē)業(yè)制定了日益嚴(yán)格的各種法規(guī)，強(qiáng)制要求執(zhí)行。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器設(shè)計(jì)不合理，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣損失大，功率下降，油耗增加；噪聲和排放達(dá)不到環(huán)保要求；會(huì)帶來(lái)汽車(chē)產(chǎn)品不能出口、不能在大城市銷(xiāo)售和被禁止使用等一系列問(wèn)題。
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的工作廢氣還具有相當(dāng)大的能量具有很高的溫度，600～750℃，很高的壓力，200～500Kpa，很高的速度，500～600m/s；這種高能量的工作廢氣如果直接排入大氣，就是一個(gè)大的噪聲源，它產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆破聲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，又會(huì)變成尖銳的刺耳響聲；發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，主要是“脈動(dòng)噪聲”，它的頻率比較低；在高速時(shí)主要是“氣流噪聲”，它具有頻帶寬、頻率高的特點(diǎn)；基于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的工作廢氣具有能量高、流速大、頻譜成分寬的特點(diǎn)，消聲的措施就是使排氣降溫至低于100℃、降壓至125Kpa以下、減速至100m/s以下；使其變成接近于無(wú)波動(dòng)的平穩(wěn)氣流，無(wú)聲的釋放到大氣中去。
為此，消聲的基本原理大致可以分為以下四種1)用聲波來(lái)消除聲波，即聲波干涉型；2)利用共振或諧振原理的共振器型；
3)改變排氣通道的截面積的阻抗型；4)使用耐熱、耐腐蝕的吸聲材料的吸聲型。
根據(jù)聲波干涉和共振原理設(shè)計(jì)的消聲器稱(chēng)為抗性消聲器，它能有效的抑制、衰減排氣中低頻噪聲；根據(jù)阻抗和吸聲原理設(shè)計(jì)的消聲器稱(chēng)為阻性消聲器，它能有效的抑制、衰減排氣中的高頻噪聲；為了得到良好的消聲效果，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的消聲器，都不單獨(dú)使用上述兩大類(lèi)消聲器中任何一種，而是綜合使用，有時(shí)還不只用一個(gè)消聲器，特別是轎車(chē)有的用兩個(gè)甚至三個(gè)消聲器。
在國(guó)內(nèi)現(xiàn)在各個(gè)汽車(chē)消聲器生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)要么是仿照國(guó)外的消聲器產(chǎn)品，要么是按照傳統(tǒng)的方法畫(huà)圖設(shè)計(jì)制造出產(chǎn)品，然后進(jìn)行測(cè)試，達(dá)不到要求的技術(shù)指標(biāo)，再重新設(shè)計(jì)制造；如此反復(fù)造成大量的人力資源和材料資源的浪費(fèi)，不但工作效率低下，而且最終產(chǎn)品性能還是達(dá)不到使用要求；如附圖1所示，為常見(jiàn)的汽車(chē)消聲器立體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1’為消聲器排氣尾管、2’為中間排氣管、3’、5’為兩個(gè)多孔的擴(kuò)散管、4’為中間隔板、6’為橢圓狀外殼、7’為消聲器進(jìn)氣管、8’為石棉襯墊、9’為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管；該產(chǎn)品存在如下幾個(gè)缺點(diǎn)一是因總體積小，約為5L，僅為該發(fā)動(dòng)機(jī)排量的兩倍，使低頻消聲性能差；二是在25Hz附近有共振現(xiàn)象，同時(shí)散熱性能不好；使消聲器本身易損壞，使用壽命低；三是消聲器使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降比較明顯，在2000r/min時(shí)，功率下降3.35％，在4000r/min時(shí)功率下降高達(dá)11.65％，汽車(chē)油耗必然大幅上升。由以上分析可見(jiàn)隨著國(guó)家有關(guān)汽車(chē)環(huán)保節(jié)能法規(guī)愈來(lái)愈嚴(yán)格，汽車(chē)性能越來(lái)越高，使用工況越來(lái)越廣，要求消聲器構(gòu)造也越來(lái)越復(fù)雜，用一般的設(shè)計(jì)和測(cè)試方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了要求，迫切需要一種新的科學(xué)的消聲器設(shè)計(jì)和模擬測(cè)試方法以滿(mǎn)足現(xiàn)代化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法，解決了現(xiàn)有汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試中存在的產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo)難以保證及其工作效率低、浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力等缺欠。
本發(fā)明的技術(shù)方案是首先找出在相應(yīng)使用條件下的環(huán)境噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)；其次找到所要設(shè)計(jì)的汽車(chē)消聲器所對(duì)應(yīng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)和底盤(pán)的幾何參數(shù)；然后就可以利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試，其流程如下(一)、使用三維造型軟件實(shí)現(xiàn)汽車(chē)消聲器的三維造型設(shè)計(jì)。三維造型軟件所創(chuàng)建的3D模型除了為以后制造提供圖紙，也是為下一步模擬測(cè)試提供了模型；(二)、使用有限元軟件對(duì)三維造型所建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力學(xué)分析，靜力分析主要用來(lái)求解汽車(chē)消聲器外部載荷引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題，靜力分析指分析固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷；動(dòng)力學(xué)分析中包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析，模態(tài)分析主要用于汽車(chē)消聲器自身結(jié)構(gòu)的固有頻率的分析，使工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)所承受的載荷與其固有頻率相同的狀況，而產(chǎn)生共振現(xiàn)象；瞬態(tài)分析用于分析汽車(chē)消聲器機(jī)構(gòu)隨時(shí)間變化的載荷的響應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)在承受沖擊載荷時(shí)不出現(xiàn)損傷；(三)、在一維消聲器軟件中使用三維造型所建的模型或自建模型進(jìn)行汽車(chē)消聲器的一維插入損失和傳遞損失的設(shè)計(jì)及其模擬測(cè)試。在一維消聲器軟件中可以通過(guò)計(jì)算并顯示所設(shè)計(jì)的汽車(chē)消聲器的固有的傳遞損失和通過(guò)連接發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行插入損失的計(jì)算模擬測(cè)試；(四)、通過(guò)三維消聲器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維汽車(chē)消聲器的流體動(dòng)力學(xué)分析及其模擬測(cè)試，在一維汽車(chē)消聲器軟件的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試是對(duì)消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)的近似理論的分析，當(dāng)消聲器截面幾何尺寸較小，且噪聲頻率不太高，例如小于1000Hz的情況下，這種分析方法是適用的，但當(dāng)噪聲頻率提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與理論分析均表明，在消聲器擴(kuò)張腔內(nèi)存在有高次模式波，這時(shí)平面波與線性化假設(shè)不再適用，而應(yīng)用更加精確的三維理論來(lái)進(jìn)行分析；(五)、汽車(chē)消聲器的輻射噪聲是通過(guò)聲學(xué)分析軟件來(lái)進(jìn)行分析模擬測(cè)試的，在聲學(xué)軟件中使用有限元軟件中劃分網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行域場(chǎng)中的輻射噪聲的分析模擬測(cè)試；經(jīng)過(guò)以上五個(gè)軟件的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試過(guò)程得到的數(shù)據(jù)參數(shù)，就可以進(jìn)行汽車(chē)消聲器的制造生產(chǎn)，這種方法避免了傳統(tǒng)方法的浪費(fèi)和效率低的問(wèn)題。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、避免實(shí)物制造過(guò)程中的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)；2、通過(guò)3D造型可以直接觀察消聲器的外型；3、通過(guò)有限元分析，可以預(yù)知消聲器的應(yīng)力、應(yīng)變情況，為工程師設(shè)計(jì)提供確切參數(shù)；4、通過(guò)一維消聲器軟件計(jì)算，可以直接得到消聲器的插入損失和傳遞損失，避免用實(shí)物測(cè)量造成的浪費(fèi)；5、通過(guò)三維消聲器軟件可以觀察到實(shí)物看不到的流體在消聲器管道內(nèi)的流動(dòng)情況；6、通過(guò)輻射噪聲軟件，可以模擬消聲器在自然狀態(tài)下的聲音、輻射情況，避免實(shí)測(cè)中外界測(cè)量結(jié)果的干擾。


圖1為常見(jiàn)的汽車(chē)消聲器立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明消聲器實(shí)施例的3D造型示意圖；圖3為本發(fā)明的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試流程圖。
具體實(shí)施例方式如附圖2及附圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施例以某轎車(chē)的消聲器為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)模擬測(cè)試過(guò)程首先，找到現(xiàn)在相應(yīng)使用條件下的環(huán)境噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，然后找到此轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)和底盤(pán)的幾何技術(shù)參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)包括有發(fā)動(dòng)機(jī)布置方式為水冷直列四缸、氣道順序噴射；缸徑為74mm、沖程為75.5mm；排量為1.298L；壓縮比為9.5；標(biāo)定轉(zhuǎn)數(shù)為6000r/min；最大轉(zhuǎn)速為6500r/min；進(jìn)/排氣升程為1.5mm/1.7mm；標(biāo)定功率為63KW/6000rpm；最大扭矩為110N.m/3500～4500rpm；底盤(pán)幾何技術(shù)參數(shù)包括有消聲器整體長(zhǎng)度為Amm；消聲器外圓直徑為Bmm；消聲器長(zhǎng)度為Cmm連接管道直徑為Dmm；如附圖3所示的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試流程圖，第一步使用三維造型軟件實(shí)現(xiàn)汽車(chē)消聲器的3D造型，設(shè)計(jì)出如附圖3所示的汽車(chē)消聲器的實(shí)施例的3D造型圖；其中，1為出氣端、2為插入管、3為隔板、4為外殼、5為進(jìn)氣端、6為吸聲材料、7為消聲孔；該3D造型可為以下過(guò)程提供模型數(shù)據(jù)；第二步使用有限元軟件對(duì)三維造型所建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力分析和動(dòng)力學(xué)分析，即用有限元軟件對(duì)3D模型進(jìn)行前處理，產(chǎn)生劃分網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型可以為在聲學(xué)分析軟件中使用；前處理是指建立有限元模型的過(guò)程，它包括創(chuàng)造實(shí)體模型、定義單元及材料屬性，劃分網(wǎng)格，修正模型等幾項(xiàng)內(nèi)容；有限元模型主要來(lái)源有兩種，即在自身平臺(tái)建模和導(dǎo)入造型軟件中創(chuàng)建的有限元模型，并以此劃分內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和單元；對(duì)前處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載和求解，即是在實(shí)體模型邊界上施加載荷或約束條件，選擇合理的求解器求解；用求解的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，查看和分析有限元的計(jì)算結(jié)果；第三步為在一維消聲器軟件中使用3D模型或自建模型，對(duì)汽車(chē)消聲器的模型進(jìn)行離散化處理及添加測(cè)試模擬物理?xiàng)l件進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，在一維消聲器軟件中可以通過(guò)計(jì)算并顯示出所設(shè)計(jì)的汽車(chē)消聲器的固有傳遞損失和插入損失的計(jì)算模擬測(cè)試；所謂的插入損失為安裝消聲器前后在某固定測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的計(jì)數(shù)聲級(jí)的差，插入損失不僅與消聲器的消聲性能有關(guān)，而且與聲源特性、消聲器出口端阻抗有關(guān)；傳遞損失為消聲器入口和出口處的聲功率級(jí)之差，它反映了消聲器入口的入射聲能與出口的透射聲能之比；傳遞損失的特點(diǎn)是僅反映消聲器本身的傳遞特性，而不受聲源管道系統(tǒng)和消聲器出口端尾管的影響，即與聲源、消聲器出口端阻抗無(wú)關(guān)；后置處理，進(jìn)行分析結(jié)果數(shù)據(jù)以及模擬；第四步通過(guò)三維消聲器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維汽車(chē)消聲器的流體動(dòng)力學(xué)分析及模擬測(cè)試，在一維汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試是對(duì)消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)的近似理論的分析，當(dāng)消聲器截面幾何尺寸較小，且噪聲頻率不太高，例如小于1000Hz的情況下，這種分析方法是適用的，但當(dāng)噪聲頻率提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析均表明，在消聲器擴(kuò)張腔內(nèi)存在有高次模式波，這時(shí)平面波與線性化假設(shè)不再適用，而應(yīng)采用更加精確的三維理論來(lái)進(jìn)行分析，即在三維消聲器軟件中使用3D模型或自建模型，并對(duì)3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修補(bǔ)，產(chǎn)生單元；用產(chǎn)生的單元模型進(jìn)行流體動(dòng)力計(jì)算產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，最后查看后置處理，分析計(jì)算結(jié)果；第五步是使用聲學(xué)分析軟件來(lái)對(duì)消聲器模型進(jìn)行輻射噪聲分析模擬測(cè)試，在聲學(xué)軟件中使用有限元軟件中劃分網(wǎng)格的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行域場(chǎng)中的輻射噪聲的分析模擬測(cè)試，先導(dǎo)入有限元前置處理的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行計(jì)算并設(shè)置聲域場(chǎng)，最后查看輻射的噪聲在聲場(chǎng)中的情況。
權(quán)利要求
1.一種汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法，其特征在于(一)、使用三維造型軟件實(shí)現(xiàn)汽車(chē)消聲器的三維造型設(shè)計(jì)。三維造型軟件所創(chuàng)建的3D模型提供汽車(chē)消聲器的制造圖紙；(二)、使用有限元軟件對(duì)三維造型所創(chuàng)建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力學(xué)分析，靜力分析主要用來(lái)求解汽車(chē)消聲器外部載荷引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變；動(dòng)力學(xué)分析主要包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析；(三)、使用在一維消聲器軟件對(duì)三維造型所建的模型或自建模型進(jìn)行汽車(chē)消聲器的一維插入損失和傳遞損失的設(shè)計(jì)及其模擬測(cè)試；在一維消聲器軟件中可以通過(guò)計(jì)算并顯示所設(shè)計(jì)的汽車(chē)消聲器的固有的傳遞損失和通過(guò)連接發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行插入損失的計(jì)算模擬測(cè)試；(四)、通過(guò)三維消聲器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維汽車(chē)消聲器的流體動(dòng)力學(xué)分析及其模擬測(cè)試，在一維汽車(chē)消聲器軟件的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試是對(duì)消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)的近似理論的分析，只適用于消聲器截面幾何尺寸較小，且噪聲頻率不太高的情況下，當(dāng)噪聲頻率高，在消聲器擴(kuò)張腔內(nèi)存在有高次模式波，應(yīng)采更加精確的三維理論來(lái)進(jìn)行分析；(五)、通過(guò)聲學(xué)分析軟件來(lái)進(jìn)行對(duì)汽車(chē)消聲器的輻射噪聲分析模擬測(cè)試，在聲學(xué)軟件中使用有限元軟件中劃分網(wǎng)格的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行域場(chǎng)中的輻射噪聲的分析模擬測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法，其特征在于所說(shuō)的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試流程如下(一)使用三維軟件進(jìn)行3D造型；(二)用有限元軟件對(duì)3D模型進(jìn)行前處理，產(chǎn)生劃分網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型，可在聲學(xué)分析軟件中使用；對(duì)前處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載和求解；用求解的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，查看和分析有限元的計(jì)算結(jié)果；(三)在一維消聲器軟件中使用3D模型或自建模型，對(duì)模型進(jìn)行離散化處理，添加測(cè)試模擬的物理?xiàng)l件，進(jìn)行計(jì)算、產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，后置處理，分析結(jié)果數(shù)據(jù)及模擬測(cè)試；(四)在三維消聲器軟件中使用3D模型或自建模型，對(duì)3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修補(bǔ)，產(chǎn)生單元，用產(chǎn)生的單元模型進(jìn)行流體動(dòng)力計(jì)算產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，查看后置處理，分析計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；(五)在聲學(xué)分析軟件中導(dǎo)入有限元前置處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置聲場(chǎng)，查看輻射噪聲在聲場(chǎng)中情況。
全文摘要
本發(fā)明是一種汽車(chē)消聲器的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試方法，它是通過(guò)使用三維軟件進(jìn)行3D造型；使用有限元軟件對(duì)三維造型所建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力學(xué)分析；通過(guò)一維消聲器軟件對(duì)模型進(jìn)行汽車(chē)消聲器的一維插入損失和傳遞損失的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試；通過(guò)三維消聲器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維汽車(chē)消聲器的流體動(dòng)力學(xué)分析及模擬測(cè)試；通過(guò)聲學(xué)分析軟件來(lái)進(jìn)行對(duì)汽車(chē)消聲器的輻射噪聲分析模擬測(cè)試；通過(guò)以上五個(gè)軟件的設(shè)計(jì)模擬測(cè)試過(guò)程得到的數(shù)據(jù)參數(shù)準(zhǔn)確、便捷，可以進(jìn)行汽車(chē)消聲器制造生產(chǎn)，避免傳統(tǒng)方法的浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力和工作效率低等缺欠。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1713183SQ20051001696
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者萬(wàn)卓非, 王立新 申請(qǐng)人:萬(wàn)卓非