基于GT-power的汽车消音器的设计与开发

欢迎阅读本文档，希望本文档能对您有所帮助! 基于GTpower的汽车消声器设计开发袁守利，林家辉，许烁，于淼武汉理工大学上汽通用发动机测试基地，武汉430000，中国996656725qq.com关键字：消音器，设计，GT-power，仿真优化摘要：本文利用GT-power对某搭载1.0T发动机车型排气消声器进行设计及性能分析，运用GT-power提供的消声器建模和设计的图形化前处理程序以及各种噪声与声学分析模块，设计出的主、副消音器，较好的满足了消声性能指标和经济性目的。介绍：随着国民经济的日益繁荣，社会现代化以及汽车工业和城市交通的发展，我国机动车辆的拥有量日益增加，加剧了环境的恶化，噪声污染是其中之一。据统计资料表明，城市环境噪声的75%来源于机动车辆2，各种机动车辆已成为环境噪声的最大污染源。过高的噪声严重影响着人们的生活、工作和健康。消声器作为汽车噪声控制的主要部件关系到日益严峻的环境与能源问题，降低噪声污染同时减少能量的损耗是继整车开发热潮之后的又一研究热点。GT-power软件系统在消声器开发中的应用使其与发动机性能相互影响的问题得到了综合解决，通过对发动机工作过程与消声器的耦合建立分析消声器插入损失与压力损失的模型，减少了问题孤立化带来的困扰，并且大大缩短了产品的开发周期，减少了人力、财力、物力的浪费。1 消声器的设计：1.1消声器的声学性能消声器的声学性能包括消声量的大小和功率损失。设计消声器的目的就是要根据噪声源的特点和频率范围，使消声器的消声频率满足需要并尽可能地在要求的频带范围内获得较大的消声量。评价消声器的消声性能常使用传递损失TL（Transmission Loss）和插入损失（Insertion Loss）两种参数。传递损失是指消声器的进口处声功率级和出口处声功率级之差。插入损失是指装上消声器前后，排气口同一测点处声压级之差。由于传递损失测量比较复杂，插入损失测量简单，一般以插入损失作为消声器消声性能的评价指标。1.2目标车型的消音器的设计要求基于GT-power的建模：GT-power应用的是一维流体假设的动力学模型，利用半经验和经验公式，进行消声器的设计，一个好的消声器在其工作气流的温度、压力环境下，在需要的频率范围内应该有较大的消声效果和较少的阻力损失，即插入损失要大，功率损失要少。利用GEM3D建立消声器模型3初步设计消声器其主要参数如下表表1 初步设计的消音器的主要参数参数数值总长600腔数4进气管内径48排气管内径38内插管管径50壁厚1环境压力1bar温度295K根据设计要求提出了两种主消音器模型设计方案B和C，其中A为副消音器。(a)副消音器A （b）主消音器B （c）主消音器C图1 消音器的结构模型副消结构使用了典型的一次扩张两次共振的结构，气流通过进气管首先进行一次共振；随后从进气管进入第二腔，进行一次扩张；副消排气管结构中，使用了扩口，为的是避免副消中产生尖锐哨声；最后一腔为共振腔，对低频噪声有较好的消声量。 主消音器采用经典的三隔板四腔，B主消音器结构，为了降低制造成本，同时考虑到工艺性，采用了三腔共振一腔扩张结构，气体经一次扩张后直接进入排气管，充分利用主消壳体容积。C与B最大的不同采用了三次扩张，而且进气口尾端封堵，气体完全由进气管的穿孔和穿孔板流入主，同时为保证气流的通过性加入了直径50mm的中间管，结构较为复杂。2消声器性能指标仿真分析模型的建立：将导入到GT-power中的消声器离散模型与发动机工作仿真模型耦合起来4，并加入插入损失、压力损失、传递损失功能模块，建立了消声器性能分析的计算模型。2.1 发动机工作过程仿真模型如下图所示图2 发动机工作过程模型2.2插入损失计算模型的建立在该模型中，首先计算消声器排气尾管的噪声值（如图中麦克风1计算得到的值），顺便可以获得排气尾管的背压值。然后采用等长度的直管代替副消声器1，1.5倍长度的直管代替主消音器。计算其尾管的噪声值（图中麦克风2得到的值），两者的差值即为定义的消声器插入损失值。 （a） 带消声器的排气噪声值计算模型 （b）用直管代替后的排气噪声值模型图3 消声器与发动机耦合模型两中方案与发动机耦合仿真计算得到排气尾管噪声，如下图图中红线为空管测试结果排气尾管噪声为90.3dB，蓝线为B消音器结构得到的尾管噪声为75.2dB，从而得到该消音器的插入损失为15.1。绿线为C消音器结构得到的尾管噪声为76.3dB，从而计算得到该消声器的插入损失为14dB。Back pressure if shown in figure line：图4 排气系统的尾管噪声和背压曲线2.3建立传递损失计算模型将离散好的消音器模型复制到以下模型中替换Assembly1运算即得到传递损失图线。(a)传递损失模型（b）传递损失曲线图5 传递损失模型与曲线2.4 GT仿真结果5分析消声器设计应满足国家标准，以汽车排气消声器技术条件QC-T631（2005）为准。对于M3类车辆，其额定功率大于150KW的，插入损失不得小于16dB,功率损失不得大于5%，且背压不得大于22KPa。根据B与C的对比，就尾管噪声来看B更好一些，因为共振腔多因此对于低频的消声明显，怠速时的消声效果好，但是第三个腔的利用率不高，相对于中低频的消声量B的高频消声效果相对较差。由于C进气口封堵，排气消声量主要依靠扩张，低频消声效果不好且背压大，因此难以满足发动机排气消声量的要求，但其高频的消声效果好。就其插入损失来说二者都达不到国家标准，因此需要进一步的结构优化。3 消声器的优化对比B与C取其优势的部分，延长进气管横穿各腔，将其中间管上移，缩短排气管，将其总体结构变成两扩张两共振，见下图D，在GT-Power软件中建立1.0T发动机的工作过程仿真模型与优化后的消声器结构的耦合仿真模型 图6 优化后的主消音器结构方案BCD尾管噪声（怠速）75.276.372.3KG测试（怠速）90.390.390.3插入损失15.11418背压23.932.321.3TL（峰值）54.355.360表二 三种方案的对比结果4结论1本文以消音器为研究对象，应用GT-POWER软件对其进行设计和改进后，进行了性能仿真，计算精度达到了工程要求。2GTpower提供了方便消声器建模而设计的图形化前处理程序和各种噪声与声学分析模块，实践证明，该软件能极大提高设计精度，缩短开发周期，提高设计功效。3根据企业反馈结果表明，改进后主副消音器结构具有良好的消声性能。参考文献1候献军，王天田，田翠翠，王洪健，刘志恩基于GT-POWER的乘用车消声器设计开发20072马大。噪声与振动控制工程手册M。北京：机械工业出版社，20023袁守利，于淼，。基于GT-power的消音器的仿真和优化，武汉：武汉理工大学汽车工程学院，20134刘宇。基于GT-power的汽油机仿真及优化设计D。长春：吉林大学汽车工程学院，20065毕嵘。汽车进排气消声器性能的数值仿真研究E。合肥：合肥工业大学噪声振动工程研究所，2007and performance analysis, with the help of modeling and design a graphical front handlers and all kinds of noise and acoustic analysis module provided by mufflers GT-power, designed for main and secondary muffler, muffler better meet the performance and economic purposes 欢迎阅读本文档，希望本文档能对您有所帮助!