一种汽车排气管消音器的有限元建模方法与流程

本发明属于计算机辅助工程的技术领域，具体涉及一种汽车排气管消音器的有限元建模方法。

背景技术：

汽车排气管消音器主要由薄板材制造而成，用于降低车辆噪声。在机械振动、气流冲击和热作用下，为实现其声学特性要求和空气动力学要求，消音器必须有着良好的结构设计(含材料)，满足一定的强度、刚度和动力学(模态、响应谱分析等)要求。传统的消音器结构设计主要采用设计人员的经验和大量实验相结合的方法，时间长、成本高。随着计算机硬件的不断发展以及软件应用的日益成熟，可以采用计算机模拟仿真的方法来研究排气管消音器的结构设计，或进行优化组合，以达到缩短设计周期、减少不必要的人力物力消耗的目的，实现消音器设计的现代化、精确化。

有限元方法是目前应用最成熟、最广泛的一种数值计算方法，它利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。有限元求解问题的基本过程主要包括：前处理(建立有限元模型，简称建模)、有限元求解、计算结果的后处理三部分。其中，建模主要有几何清理、网格划分、属性设置、加载及求解设置等内容。有限元模型的质量直接影响到求解时间及求解结果的准确性。

现有文献中，针对消音器有限元结构分析模型的建立方法的研究少之又少。其中，《单腔扩张式消声器的模态分析及结构改进》(文献一)仅简单提及了使用ansys三维实体单元solid45来建立模型；《hyperworks在消声器模态计算上的应用》(文献二)公开的建模方法如下：全部采用shell单元，定义厚度，对薄板进行网格划分；用节点重合代替焊接；内管的圆孔用方孔代替。相对于文献一中的方法，文献二中的方法采用了shell单元来进行网格划分，比利用六面体划分网格获得的网格数目少很多，而且网格质量更好，一定程度上提高了计算效率。

但是，上述两种方法中：(1)都没有公开具体的实施步骤与方法；(2)都没有考虑焊缝，但是，忽略焊缝将不能分析焊缝自身及周边的应力，且引起较大的质量误差与质量分布误差，不能真实地反应出消音器在振动、气流冲击与热作用下的静力学与动力学性能；(3)对于翻边的处理，虽然文献二中略有提及，但是其开始忽略、最后补划的方法，将破坏已有的网格模型，增加了建模难度；(4)模型因忽略细小特征与焊缝，必然导致总质量的差异，对计算结果的精度影响大，两种方法都没有考虑质量的校正。因此，需要一种建模精确、网格数量更少、网格质量更高的且容易实施的消音器的建模技术，以进行消音器的强度、刚度和模态的仿真分析。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种建模精确、网格数量更少、网格质量更高且容易实施的汽车排气管消音器的有限元建模方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种汽车排气管消音器的有限元建模方法，所述汽车排气管消音器包括：筒体、端盖、内管、进气管、隔板和出气管，所述进气管与所述筒体、所述出气管与所述端盖、所述内管与所述隔板、所述出气管与所述隔板均通过焊接联接，所述筒体本身、所述筒体与所述端盖均通过翻边联接。

所述的有限元建模方法包括：对筒体的翻边部分进行有限元建模，得到筒体翻边的网格；对筒体与端盖处的翻边部分进行有限元建模，得到筒体与端盖处翻边的网格；对进气管进行有限元建模，得到进气管的网格；对内管进行有限元建模，得到内管的网格；对隔板进行有限元建模，得到隔板的网格；对出气管进行有限元建模，得到出气管的网格；对端盖进行有限元建模，得到端盖的网格；对进气管与筒体焊接处进行有限元建模，得到进气管与筒体焊接处的网格；对出气管与端盖焊接处进行有限元建模，得到出气管与端盖焊接处的网格；对内管与隔板焊接处进行有限元建模，得到内管与隔板焊接处的网格；对筒体与隔板焊接处进行有限元建模，得到筒体与隔板焊接处的网格；对筒体进行有限元建模，得到筒体的网格；以及为上述网格创建材料和属性，并将所创建的材料和属性分别赋给相应的网格；增加质量点，建立刚性单元，对汽车排气管消音器整体进行质量校正。

优选地，所述对进气管与筒体焊接处进行有限元建模，具体包括：建立整圈四面体单元、六面体单元，并与进气管、筒体接触处的面网格节点重合；所述对出气管与端盖焊接处进行有限元建模，具体包括：建立整圈四面体单元、六面体单元，并与出气管、端盖接触处的面网格节点重合；所述对内管与隔板焊接处进行有限元建模，具体包括：沿圆周建立整圈的四面体单元、六面体单元，单元节点与内管、隔板接触处的面网格节点重合；所述对筒体与隔板焊接处进行有限元建模，具体包括：沿筒体圆周建立离散的四面体单元，表示点焊，单元节点与筒体、隔板接触处的面网格节点重合。

优选地，所述对筒体的翻边部分进行有限元建模，具体包括：抽取翻边两部分的中面，删除翻边处折叠部分面，用平面光滑填充缺口，代替此处翻边，划分填充面的网格；所述对筒体与端盖处的翻边部分进行有限元建模，具体包括：抽取端盖的中面，删除翻边处折叠部分面，轴向拉伸筒体中面，代替此处翻边，划分拉伸面的网格。

优选地，所述对进气管进行有限元建模，具体包括：抽取进气管的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；继续切割，划分过渡网格；最后划分余下部分网格；所述对内管进行有限元建模，具体包括：抽取内管的中面，在与隔板的焊接处进行切割，划分焊接处内管的面网格；划分余下部分网格；均匀删除单个网格形成内管上的小孔；所述对出气管进行有限元建模，具体包括：抽取出气管的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；继续切割，划分过渡网格；最后划分余下部分网格；所述对隔板进行有限元建模，具体包括：抽取隔板的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；最后划分余下部分网格；所述对端盖进行有限元建模，具体包括：抽取端盖的中面，划分面网格；在与翻边接触处节点对应重合；所述对筒体进行有限元建模，具体包括：划分焊接处的面网格；划分翻边处的面网格，划分过渡网格；最后划分余下部分网格。

优选地，所述增加质量点，建立刚性单元，对汽车排气管消音器整体进行质量校正，具体包括：测量现有网格模型的质量，与实际几何模型质量相比，增加质量点并赋于缺少的质量，并与筒体部分节点建立一维刚性单元。

优选地，所述为上述网格创建材料和属性，具体包括：指定各部分的厚度、材料与单元类型。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明在建模初期即考虑翻边，而不是如现有技术中一样开始时忽略、最后发现质量问题、再增加翻边，避免了对已有模型的修改与破坏，降低了建模难度，节省了建模时间；

而且，本发明准确建立了焊缝单元，可分析焊缝自身及周边的应力，使得消音器的质量分布与真实情况逼近，避免较大的质量差异，可真实地反应出消音器的力学性能；

此外，本发明在建模的最后进行质量校正，确保所建有限元模型与实际几何质量相等，避免了质量和刚度对计算结果的影响。

2、本发明全部采用四边形的面网格与四面体、六面体的体网格，无三角形网格，网格质量大幅提高；

而且，本发明在绝大多数面均采用了网格过渡技术，而仅在细小特征与关注部位采用小尺寸网格，从而大幅减少网格数量，提高了后继的计算速度。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为本发明实施例提供的一种现有的汽车排气管消音器的几何模型；

图2为根据本发明实施例提供的一种汽车排气管消音器的有限元建模方法建立的有限元模型；

图3为图2中a的放大图；

图4为图2中b的放大图；

图5为图2中c的放大图；

图6为图2中d的放大图；

图7为图2中e的放大图；

图中：101为筒体，102为端盖，103为内管，104为进气管，105为隔板，106为出气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种汽车排气管消音器的有限元建模方法，所述汽车排气管消音器的几何模型如图1所示，可包括：筒体101、端盖102、内管103、进气管104、隔板105和出气管106，所述进气管104与所述筒体101、所述出气管106与所述端盖102、所述内管103与所述隔板105、所述出气管106与所述隔板105均通过焊接联接，所述筒体101本身、所述筒体101与所述端盖102均通过翻边联接。

所述的有限元建模方法包括：

对筒体101的翻边部分进行有限元建模，得到筒体101翻边的网格。

对筒体101与端盖102处的翻边部分进行有限元建模，得到筒体101与端盖102处翻边的网格。

对进气管104进行有限元建模，得到进气管104的网格。

对内管103进行有限元建模，得到内管103的网格。

对隔板105进行有限元建模，得到隔板105的网格。

对出气管106进行有限元建模，得到出气管106的网格。

对端盖102进行有限元建模，得到端盖102的网格。

对进气管104与筒体101焊接处进行有限元建模，得到进气管104与筒体101焊接处的网格。

对出气管106与端盖102焊接处进行有限元建模，得到出气管106与端盖102焊接处的网格。

对内管103与隔板105焊接处进行有限元建模，得到内管103与隔板105焊接处的网格。

对筒体101与隔板105焊接处进行有限元建模，得到筒体101与隔板105焊接处的网格。

对筒体101进行有限元建模，得到筒体101的网格。

以及：

为上述网格创建材料和属性，并将所创建的材料和属性分别赋给相应的网格。

增加质量点，建立刚性单元，对汽车排气管消音器整体进行质量校正。

具体地，所述对进气管104与筒体101焊接处进行有限元建模，具体可包括：建立整圈四面体单元、六面体单元，并与进气管104、筒体101接触处的面网格节点重合。

所述对出气管106与端盖102焊接处进行有限元建模，具体可包括：建立整圈四面体单元、六面体单元，并与出气管106、端盖102接触处的面网格节点重合。

所述对内管103与隔板105焊接处进行有限元建模，具体可包括：沿圆周建立整圈的四面体单元、六面体单元，单元节点与内管103、隔板105接触处的面网格节点重合。

所述对筒体101与隔板105焊接处进行有限元建模，具体可包括：沿筒体101圆周建立离散的四面体单元，表示点焊，单元节点与筒体101、隔板105接触处的面网格节点重合。

具体地，所述对筒体101的翻边部分进行有限元建模，具体可包括：抽取翻边两部分的中面，删除翻边处折叠部分面，用平面光滑填充缺口，代替此处翻边，划分填充面的网格。

所述对筒体101与端盖102处的翻边部分进行有限元建模，具体包括：抽取端盖102的中面，删除翻边处折叠部分面，轴向拉伸筒体101中面，代替此处翻边，划分拉伸面的网格。

具体地，所述对进气管104进行有限元建模，具体可包括：抽取进气管104的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；继续切割，划分过渡网格；最后划分余下部分网格。

所述对内管103进行有限元建模，具体可包括：抽取内管103的中面，在与隔板105的焊接处进行切割，划分焊接处内管103的面网格；划分余下部分网格；均匀删除单个网格形成内管上的小孔。

所述对出气管106进行有限元建模，具体可包括：抽取出气管106的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；继续切割，划分过渡网格；最后划分余下部分网格。

所述对隔板105进行有限元建模，具体可包括：抽取隔板105的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；最后划分余下部分网格。

所述对端盖102进行有限元建模，具体可包括：抽取端盖102的中面，划分面网格；在与翻边接触处节点对应重合。

所述对筒体101进行有限元建模，具体可包括：划分焊接处的面网格；划分翻边处的面网格，划分过渡网格；最后划分余下部分网格。

具体地，所述增加质量点，建立刚性单元，对汽车排气管消音器整体进行质量校正，具体可包括：测量现有网格模型的质量，与实际几何模型质量相比，增加质量点并赋于缺少的质量，并与筒体101部分节点建立一维刚性单元。

具体地，所述为上述网格创建材料和属性，具体可包括：指定各部分的厚度、材料与单元类型。

下面以图1中所示的几何模型为例，对本发明中的方法做更加仔细的说明：设所有板材厚度均为2mm,材料相同是q235；焊缝材料用不锈钢304；消音器总质量8kg。具体建模方法如下：

第一步：筒体翻边建模包括：

创建新的组件，命名为筒体翻边，用以存放筒体翻边的网格；

抽取翻边两部分的中面，删除翻边处折叠部分面，用平面光滑填充以代替翻边；

划分填充面的网格；

翻边的材料与属性定义：根据设计状态为筒体翻边创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给筒体翻边。本实施例中的筒体材料是q235，厚度是2mm,故翻边厚度设为4×2＝8mm。根据这些信息为筒体创建材料和属性，并赋给本步骤创建的筒体翻边，单元类型为二维单元。

第二步：筒体与端盖处翻边建模包括：

创建新的组件，命名为筒体端盖翻边，用以存放筒体端盖翻边的网格；

删除筒体与端盖翻边处的折叠部分面，分别轴向拉伸筒体中面，长度为实际长度，代替两端翻边；

划分拉伸面的网格；

翻边的材料与属性定义：根据设计状态为筒体与端盖翻边创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给筒体与端盖翻边。本实施例中的筒体与端盖的材料都是q235，翻边厚度设为4×2＝8mm。根据这些信息为筒体创建材料和属性，并赋给本步骤创建的筒体与端盖翻边，单元类型为二维单元。

第三步：进气管建模包括：

创建新的组件，命名为进气管，用以存放进气管的网格；

抽取进气管的中面，在焊接处、网格过渡处分别进行切割；

划分焊接处的面网格、过渡网格、余下部分网格；

进气管的材料与属性定义：根据设计状态为进气管创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给进气管。本实施例中进气管材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为进气管创建材料和属性，并赋给本步骤创建的进气管，单元类型为二维单元。

第四步：内管建模包括：

创建新的组件，命名为内管，用以存放内管的网格；

抽取内管的中面，在与隔板的焊接处进行切割；

划分焊接处内管的面网格；

划分余下部分网格；均匀删除单个网格形成内管上的小孔；

内管的材料与属性定义：根据设计状态为内管创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给内管。本实施例中内管材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为内管创建材料和属性，并赋给本步骤创建的内管，单元类型为二维单元。

第五步：出气管建模包括：

创建新的组件，命名为出气管，用以存放出气管的网格

抽取出气管的中面，在焊接处进行切割，划分焊接处的面网格；

继续切割，划分过渡网格；

最后划分余下部分网格；

出气管的材料与属性定义：根据设计状态为出气管创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给出气管。本实施例中出气管材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为出气管创建材料和属性，并赋给本步骤创建的出气管，单元类型为二维单元。

第六步：隔板建模包括：

创建新的组件，命名为隔板，用以存放隔板的网格

抽取隔板的中面，在焊接处进行切割，

划分焊接处的面网格；

最后划分余下部分网格；

隔板的材料与属性定义：根据设计状态为隔板创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给隔板。本实施例中隔板材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为隔板创建材料和属性，并赋给本步骤创建的隔板，单元类型为二维单元。

第七步：对端盖建模包括：

创建新的组件，命名为端盖，用以存放端盖的网格

抽取端盖的中面，划分面网格；在与翻边接触处节点对应重合；

端盖的材料与属性定义：根据设计状态为端盖创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给端盖。本案例中端盖材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为端盖创建材料和属性，并赋给本步骤创建的端盖，单元类型为二维单元。

第八步：进气管与筒体焊接处建模包括：

创建新的组件，命名为焊缝，用以存放所有焊缝的网格；

沿进气管圆周建立连续完整的四面体、六面体焊缝单元，单元尺寸2.5mm；

使四面体、六面体单元节点与进气管、筒体接触处的面网格节点重合。

第九步：出气管与端盖焊接处建模包括：

沿出气管圆周建立连续完整的四面体、六面体焊缝单元，单元尺寸2.5mm；

使四面体、六面体单元节点与出气管、端盖接触处的面网格节点重合。

第十步：内管与隔板焊接处建模包括：

沿内管圆周建立连续完整的四面体、六面体焊缝单元，单元尺寸2.5mm；

使四面体、六面体单元节点与内管、隔板接触处的面网格节点重合。

第十一步：对筒体与隔板焊接处建模包括：

根据模型实际情况，沿圆周建立四面体焊缝单元，尺寸为2.5mm；

本实施例是圆周方向八处点焊，所以用离散的单元表示；每个焊缝用四个单元表示一处点焊10mm；

四面体单元节点与内管、隔板接触处的面网格节点重合；

焊缝材料与属性定义：根据设计状态为所有焊缝创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给所有的焊缝。本实施例中焊缝材料是不锈钢304。根据这些信息为焊缝创建材料和属性，并赋给步骤八、九、十、十一所创建的焊缝，单元类型为三维单元。

第十二步：对筒体建模包括：

创建新的组件，命名为筒体，用以存放所有筒体的网格；

划分焊接处的面网格；

划分翻边处的面网格；

划分过渡网格；

最后划分余下部分网格；

筒体的材料与属性定义：根据设计状态为筒体创建材料和属性，并将所创建的材料和属性赋给筒体。本实施例中筒材料是q235，厚度是2mm。根据这些信息为筒体创建材料和属性，并赋给本步骤创建的筒体，单元类型为二维单元。

第十三步：对排气管整体质量的校正包括：

测量现有网格模型的质量为7.5kg，与实际几何模型质量8kg相比，求得缺少质量为0.5kg；

在筒体中心位置，增加一个临时节点作为质量点，并赋于缺少的质量0.5kg；

创建新的组件，命名为刚性单元，用以存放用于校正质量的网格；

以此临时节点为独立节点，中间筒体部分节点为从节点，建立一维刚性单元；

再次测量网格模型质量。

上述几何中面的抽取与切割、网格划分、质量点的添加、材料和属性的定义并赋予，均可以采用现有成熟的商业化前处理软件得以实现。

至此，消音器的有限元模型全部完成，如图2所示，a为筒体与端盖翻边部分，b为进气管与筒体焊缝部分，c为隔板与筒体焊缝部分，d为内管与隔板焊缝部分，e为出气管与端盖焊缝部分，f为筒体翻边部分，g为质量校正部分，h为筒体网格过渡部分。通过边界条件的设置、载荷的施加以及输出的设置，经过有关有限元求解软件的分析计算，可获得消音器的刚度、强度、动力学性能，进而辅助排气管设计工程师快速、准确地评估消音器的力学性能。

采用本发明的建模方式，能够提供更精确的有限元模型，节省建模时间，提高网格质量，减少网格数量，从而提高计算求解速度，更能准确地模拟消音器的静力学性能(刚度、强度)与动力学性能，为进一步优化改进提供更可靠的有限元分析支持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。