本文探討研究了汽車排氣系統(tǒng)的CAD/CAE集成開發(fā)方式相關(guān)內(nèi)容。

　　本文探討了一種新穎的汽車排氣系統(tǒng)CAD/CAE 集成開發(fā)的思路和方法，此法將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論與先進(jìn)的專業(yè)軟件應(yīng)用結(jié)合起來。首先明確系統(tǒng)的需求和目標(biāo)，然后建立起排氣系統(tǒng)集成開發(fā)的環(huán)境，運(yùn)用軟件工程的思想進(jìn)行整體規(guī)劃和程序開發(fā)的模塊化，這種設(shè)計(jì)方法在很大程度上提高了設(shè)計(jì)精度和功效。文中以消聲器為例給出了其設(shè)計(jì)方法和在軟件上實(shí)現(xiàn)的流程圖。

　　1 排氣系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀分析

　　日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和人類環(huán)境意識的增強(qiáng)對汽車節(jié)能凈化提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求，而排氣系統(tǒng)作為現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)動力汽車的一個重要總成，其性能直接決定了發(fā)動機(jī)排氣損失以及污染物和氣動噪聲的排放量，因此如何對排氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)分析，如何使其與發(fā)動機(jī)合理匹配等，就成為現(xiàn)代汽車節(jié)能與凈化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　在我國長期以來，汽車排氣系統(tǒng)的開發(fā)仍然停留在各部件單一設(shè)計(jì)，依賴簡單理論估算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[1]，這樣不僅費(fèi)時費(fèi)力，給排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的進(jìn)一步優(yōu)化帶來困難;而且，單獨(dú)對消聲器或催化器局部分散設(shè)計(jì)不能完全反映排氣系統(tǒng)的整體耦合特征，難以設(shè)計(jì)出令人滿意的產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)等仿真分析軟件的飛速發(fā)展 ，一些商用軟件逐漸完善，成為研究設(shè)計(jì)人員的有效工具。例如通過對催化器和消聲器進(jìn)行數(shù)值模擬研究其阻力特性等[2]，這一方面為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供充分的理論指導(dǎo)，另一方面也大大降低了實(shí)際試驗(yàn)的工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，并且可以探索多種可能設(shè)計(jì)。

　　然而單一的商用軟件往往不能滿足復(fù)雜系統(tǒng)的整體開發(fā)，而需要選擇相關(guān)軟件進(jìn)行二次開發(fā)和科學(xué)集成。目前針對整個排氣系統(tǒng)進(jìn)行集成開發(fā)研究的還未見報道。為滿足排氣系統(tǒng)模塊供應(yīng)商產(chǎn)品開發(fā)的需要，我們選擇了一些有專業(yè)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)與分析軟件，以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為紐帶，以VC 為開發(fā)語言，對這些軟件進(jìn)行了集成和二次開發(fā)，初步完成了汽車排氣系統(tǒng)CAD/CAE 軟件，使其能在一個用戶界面下完成整個排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(CAD)與分析(CAE)功能，使傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向精確的理論設(shè)計(jì)過渡，很大程度上提高了設(shè)計(jì)精度和功效。

　　2 排氣系統(tǒng)CAD/CAE 系統(tǒng)的任務(wù)和功能

　　2.1 任務(wù)要求

　　汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在給定發(fā)動機(jī)邊界條件、給定底盤布置的幾何約束條件，給定國家對排氣噪聲、污染物限值指標(biāo)的法規(guī)限定，給定主機(jī)廠對發(fā)動機(jī)功率損失等其它約束性要求的條件下，通過CAD/CAE設(shè)計(jì)分析軟件對發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)、性能分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)，獲得與該車型、發(fā)動機(jī)匹配最佳的排氣系統(tǒng)產(chǎn)品。為此，發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)CAD/CAE 軟件的任務(wù)從產(chǎn)品劃分來看，主要有三個，即消聲器設(shè)計(jì)分析、催化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)分析和整個排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，從性能指標(biāo)的劃分來看，主要涉及排放指標(biāo)、聲學(xué)性能和發(fā)動機(jī)輸出效率三個方面的協(xié)調(diào)優(yōu)化(見圖1)。

圖1 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求

　　2.2 主要功能

　　排氣系統(tǒng)CAD 主要根據(jù)所選定的汽車和發(fā)動機(jī)來確定排氣系統(tǒng)的型式、結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能，包括繪制系統(tǒng)總成和零部件三維工程圖，將傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)變?yōu)橛?jì)算機(jī)輔助下的半自動設(shè)計(jì);排氣系統(tǒng)CAE 主要對已初步設(shè)計(jì)的排氣系統(tǒng)或現(xiàn)有排氣系統(tǒng)完成分析計(jì)算，包括分析其與發(fā)動機(jī)匹配時整個系統(tǒng)的性能參數(shù)。具體來說排氣系統(tǒng)CAD/CAE 所要完成的功能主要有：

　　1)催化轉(zhuǎn)換器初步設(shè)計(jì)。根據(jù)發(fā)動機(jī)排氣流量、排放物濃度和法規(guī)要求，初步確定催化轉(zhuǎn)換器的載體類型、體積、形狀，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)、尺寸等;

　　2)消聲器初步設(shè)計(jì)。根據(jù)發(fā)動機(jī)類型、轉(zhuǎn)速、排氣壓力等特征、法規(guī)要求等，初步確定消聲器類型、級數(shù)、結(jié)構(gòu)、尺寸、吸聲材料等;

　　3)排氣系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。根據(jù)底盤布置要求和排氣系統(tǒng)中消聲器、催化轉(zhuǎn)換器、排氣管系組成等，初步確定管系尺寸和相關(guān)裝置的位置、連接方式、懸掛方式等;

　　4)催化轉(zhuǎn)換器性能仿真分析，包括規(guī)定工況下污染物比排放率的預(yù)測;

　　5)消聲器性能仿真分析，包括在規(guī)定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的消聲器插入損失、功率損失、發(fā)動機(jī)排氣背壓，排氣噪聲預(yù)測等;

　　6)與發(fā)動機(jī)耦合的整個排氣系統(tǒng)的性能分析;

　　7)實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)換器、消聲器以及整個排氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹配計(jì)算;

　　8)輸出排氣系統(tǒng)的總圖以及催化轉(zhuǎn)換器、消聲器的零部件結(jié)構(gòu)圖;

　　9)輸出經(jīng)處理后的排放污染物的參數(shù)以及排氣噪聲、功率損失、插入損失、排氣背壓等參數(shù)。

　　3 汽車排氣系統(tǒng)CAD/CAE 集成開發(fā)環(huán)境的建立

　　3.1 系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

　　為滿足排氣系統(tǒng)CAD/CAE 的任務(wù)要求，我們可以建立如圖2 所示的系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖。其中，基礎(chǔ)軟件層和支撐軟件層是外購的用于排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的商用軟件，它們是排氣系統(tǒng)CAD/CAE 的基礎(chǔ)，為相應(yīng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成、運(yùn)行與維護(hù)提供全面的服務(wù);也為功能應(yīng)用層提供有力的支持和靈活多樣的工具。

　　界面層為用戶使用該系統(tǒng)軟件提供了一個方便友好的環(huán)境。

圖2 系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境的組織結(jié)構(gòu)

　　3.2.1 硬件配置

　　PIII600 以上微機(jī);

　　256M 以上內(nèi)存;

　　10G 以上硬盤空間;

　　WINDOWS2000 及以上操作系統(tǒng)。

　　3.2.2 軟件配置

　　集成開發(fā)環(huán)境中的應(yīng)用軟件主要包括三維CAD造型軟件(UG-II、Solidworks、Pro-E等)，發(fā)動機(jī)性能仿真軟件(BOOST、HUST-MK14、GT-Power 等)，車輛性能仿真軟件(Cruise、Advisor 等)，CFD軟件(STAR-CD、Fluent 等)，聲學(xué)分析軟件(Sysnoise 等)，數(shù)據(jù)可視化分析計(jì)算軟件(MATLAB 等)。

　　上述軟件根據(jù)項(xiàng)目需要選定，均在Windows 操作環(huán)境下工作，自編軟件部分采用VC 開發(fā)語言[3]。

　　3.3 程序開發(fā)的主要內(nèi)容

　　用戶界面層和功能應(yīng)用層是我們要開發(fā)的部分，所編寫的程序代碼要實(shí)現(xiàn)圖3 中的虛線部分內(nèi)容。程序開發(fā)主要有三部分內(nèi)容：用戶界面、功能模塊和數(shù)據(jù)接口。用戶界面采用VC 6.0 在Windows 2K 或XP 操作系統(tǒng)下開發(fā)，因此所開發(fā)的應(yīng)用程序也具有Windows 操作系統(tǒng)界面風(fēng)格，采用下拉式功能菜單設(shè)計(jì)，界面清晰友好。窗口的菜單欄、工具條和視圖域等的設(shè)置和布局視功能需要而定。它要完成所有的任務(wù)調(diào)度和功能模塊的管理。

圖3 程序開發(fā)的內(nèi)容

　　功能模塊的開發(fā)可以采用VC ，也可采用MATLAB 等其他的語言編程，它包括排氣系統(tǒng)、催化轉(zhuǎn)換器和消聲器的設(shè)計(jì)過程、軟件公用模塊和計(jì)算結(jié)果顯示等。這些功能模塊的數(shù)據(jù)輸入和輸出都是基于數(shù)據(jù)庫或者圖形庫。

　　數(shù)據(jù)庫既是系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的來源，又是計(jì)算結(jié)果的存儲目的地。數(shù)據(jù)庫記錄著結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、功能模塊的過程數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫建立整車、發(fā)動機(jī)、催化轉(zhuǎn)換器和消聲器四個數(shù)據(jù)表，它們相對獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，一條完整的數(shù)據(jù)記錄是產(chǎn)生于這些數(shù)據(jù)表的一個視圖。選擇中小型的數(shù)據(jù)庫平臺，并考慮數(shù)據(jù)合理而有序的流動，編寫數(shù)據(jù)庫操作功能函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種軟件之間數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。

　　排氣系統(tǒng)的基本三維結(jié)構(gòu)模型和部分設(shè)計(jì)結(jié)果需要用到圖形顯示，圖形庫以文件的形式單獨(dú)存放。與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)接是軟件處理圖形信息的關(guān)鍵，本軟件采用一些數(shù)據(jù)庫操作命令，可使數(shù)據(jù)庫中的某字段與圖形文件相關(guān)聯(lián)，還可以從圖形中提取必要的參數(shù)信息。

　　4 軟件設(shè)計(jì)的整體規(guī)劃

　　為了便于開發(fā)和維護(hù)，可以將軟件在具體編程實(shí)現(xiàn)中劃分為主程序、催化轉(zhuǎn)化部分設(shè)計(jì)分析程序、消聲器部分設(shè)計(jì)分析程序、排氣系統(tǒng)計(jì)算分析程序、公用模塊五個部分。

　　4.1 主程序 中國熱模網(wǎng)首發(fā)

　　功能：用于處理用戶操作，包括各種原始數(shù)據(jù)的輸入、查詢和修改等操作，數(shù)據(jù)的存取，以及計(jì)算結(jié)果的顯示等。相當(dāng)于整個系統(tǒng)的外殼，即用戶界面。用戶的操作全部集中在這一部分處理。

　　功能模塊： 指通過程序界面，用戶所能使用的系統(tǒng)功能。包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)、簡單的編輯、催化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)、消聲器設(shè)計(jì)、排氣系統(tǒng)分析、后處理器(顯示/打印結(jié)果)、系統(tǒng)設(shè)置等。

　　4.2 催化轉(zhuǎn)換器部分設(shè)計(jì)分析程序

　　功能：集中處理催化轉(zhuǎn)換器部分的計(jì)算、設(shè)計(jì)與分析。基本流程為輸入/讀取數(shù)據(jù)→計(jì)算分析→輸出/存儲結(jié)果。

　　功能模塊：指與催化器相關(guān)的各種子模塊。包括初步經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、轉(zhuǎn)化效率預(yù)測、催化器流動數(shù)學(xué)模型、壓力損失計(jì)算等。

　　4.3 消聲器部分設(shè)計(jì)分析程序

　　功能：集中處理消聲器部分的計(jì)算、設(shè)計(jì)與分析。基本流程為輸入/讀取數(shù)據(jù)→計(jì)算分析→輸出/存儲結(jié)果。

　　功能模塊：指與消聲器相關(guān)的各種子模塊。包括初步經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、聲學(xué)性能參數(shù)計(jì)算、消聲器的傳遞損失、插入損失、壓力損失、消聲器性能分析等。

　　4.4 排氣系統(tǒng)計(jì)算分析程序

　　功能：整個排氣系統(tǒng)的計(jì)算、設(shè)計(jì)與分析。基本流程為輸入/讀取數(shù)據(jù)→計(jì)算分析→輸出/存儲結(jié)果。

　　功能模塊：指排氣系統(tǒng)的各種子模塊。包括發(fā)動機(jī)理論模型、底盤布置參數(shù)處理、各部件的耦合、與發(fā)動機(jī)匹配分析、局部流場分析、車輛排放性能預(yù)測等。

　　4.5 公用模塊

　　本部分用于提供其他各部分都需要用到的一些功能函數(shù)，包含以下幾種模塊：

　　數(shù)據(jù)庫操作模塊

　　功能：封裝數(shù)據(jù)庫的基本操作，為其他各個程序模塊提供接口。數(shù)據(jù)庫操作以Microsoft® Data Access Components(MDAC)為基礎(chǔ)，可以適用于各種Windows 平臺的數(shù)據(jù)庫，包括單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。

　　形式：DLL 動態(tài)庫文件，供其他程序調(diào)用。

　　界面管理模塊

　　功能：封裝界面元素，為其他程序提供接口，主要用于創(chuàng)建各種風(fēng)格的程序界面。

　　形式：DLL 動態(tài)庫文件。

　　其他公用函數(shù)庫

　　功能：封裝其他各個模塊都需要用到的函數(shù)、類以及資源等。

　　形式：DLL 動態(tài)庫文件。

　　5 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法示例

　　下面以排氣系統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)為例來說明其設(shè)計(jì)方法和在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)流程。

　　為實(shí)現(xiàn)消聲器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們采用二步設(shè)計(jì)法[4]。第一步根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)、噪聲特性、降噪要求和安裝空間等限定條件，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)知識和聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)理論對消聲器的結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)進(jìn)行初選，形成幾種初步的設(shè)計(jì)方案;第二步用GT-Power 軟件的分析模型對重點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。根據(jù)不同情況，詳細(xì)計(jì)算可以對單獨(dú)的消聲器、包括消聲器在內(nèi)的排氣系統(tǒng)、包括發(fā)動機(jī)和消聲器在內(nèi)的發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行，以獲得更精確的噪聲降低值、流動損失或功率損失。這樣從中優(yōu)選出最合理的方案型式，再對優(yōu)選的方案進(jìn)行局部的參數(shù)調(diào)整，以達(dá)到整體優(yōu)化并完成設(shè)計(jì)。

　　5.1 以四端網(wǎng)絡(luò)法為主的消聲器初步設(shè)計(jì)

　　聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)模型(又稱四極子線路)是建立在聲波與電或機(jī)械振動相類比而形成的聲線路的基礎(chǔ)上的一維消聲模型，它是用一維平面波的聲線路來描述消聲器消聲單元。將汽車排氣系統(tǒng)視為一個整體，并考慮到聲管中的聲抗可忽略，其等效線路為圖4 所示。

圖4 考慮聲源的汽車排氣系統(tǒng)

　　在初步設(shè)計(jì)過程中，可以先利用一些經(jīng)驗(yàn)公式來選擇消聲器的結(jié)構(gòu)形式，確定消聲器容積和截面尺寸，估算出各節(jié)擴(kuò)張室長度和擴(kuò)張比，確定共振室結(jié)構(gòu)參數(shù)，初步計(jì)算消聲量;然后根據(jù)圖4 所示的聲學(xué)四端網(wǎng)絡(luò)模型對不同結(jié)構(gòu)的抗性消聲器之傳遞損失和插入損失進(jìn)行預(yù)測。

　　5.2 消聲器聲學(xué)性能分析

　　評價汽車消聲器性能的指標(biāo)一般采用消聲量和功率損失。消聲量通常使用插入損失和傳遞損失來衡量。功率損失是指消聲器對氣流的阻礙作用而造成的發(fā)動機(jī)功率下降，一般用它作為消聲器對內(nèi)燃機(jī)性能影響的指標(biāo)。功率損失可以由消聲器的壓力損失來表示[5]，消聲器壓力損失大，則排氣背壓大，排氣過程推出功就大，功率損失也就大。而壓力損失計(jì)算方便，只要計(jì)算消聲器入口和出口處的氣流壓力差，在模型上對消聲

　　器前后壓力進(jìn)行輸出/打印設(shè)置即可。

　　GT-Power 軟件提供了計(jì)算這些性能指標(biāo)的功能模塊和方法[6]。這些功能模塊主要有：

　　AcoustExtMicophone 模塊相當(dāng)于一個外置式麥克風(fēng)，它能根據(jù)聲源特性將氣流的壓力波模擬成聲波，此聲波還可以通過模塊AcoustToWAVFile 轉(zhuǎn)換成聲波文件由媒體播放器播放出真實(shí)的聲音。

　　AcoustInsLoss 是插入損失的計(jì)算模塊，其原理是計(jì)算兩個外置麥克風(fēng)之間的聲壓級之差。由于插入損失與聲源特性有關(guān)，因此計(jì)算時必須要將消聲器與發(fā)動機(jī)相連。

　　AcoustTransLoss 是傳遞損失的計(jì)算模塊，它是采用Chung 和Blaser 的理論和方法在四個外置麥克風(fēng)之間通過自相關(guān)和互相關(guān)譜得到聲功率級之差。

　　EndFlowSpeaker 用能產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲的揚(yáng)聲器作為聲源，模擬雙話筒隨機(jī)噪聲試驗(yàn)方法， 對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和對不同結(jié)構(gòu)的消聲器進(jìn)行對比分析。

　　5.3 軟件設(shè)計(jì)基本流程圖

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)過程和分析方法，可以繪出其在軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的基本流程圖，如圖5 所示。需要指出的是，實(shí)際開發(fā)并非采用順序工程的方法，而是考慮采用并行工程的思想;另外，局部的計(jì)算和分析功能模塊需要進(jìn)一步細(xì)化。

圖5 消聲器設(shè)計(jì)基本流程

　　6 結(jié)論

　　1)本文以一種新穎的設(shè)計(jì)思想將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和先進(jìn)的專業(yè)軟件應(yīng)用結(jié)合起來，集成開發(fā)汽車排氣系統(tǒng)CAD/CAE 軟件，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)精度和功效，為此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一條高效、優(yōu)化、低成本的思路和方法。

　　2)軟件工程和面向?qū)ο蟮乃枷朐诒驹O(shè)計(jì)過程中得到了很好的體現(xiàn)，先對系統(tǒng)作可行性和需求分析，明確總目標(biāo)和階段性目標(biāo);然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的流程是構(gòu)造軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ);程序開發(fā)功能模塊化;設(shè)計(jì)完成進(jìn)行測試維護(hù);并考慮系統(tǒng)的通用性、移植性和可擴(kuò)充性等問題。

　　3)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與其他總成相比較有其自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其理論的復(fù)雜性，它涵蓋了振動、噪聲以及流體力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容。GT-Power 是一種優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)性能模擬與仿真軟件，被稱為“虛擬發(fā)動機(jī)”。它豐富的解析機(jī)能，準(zhǔn)確的物理模型和簡單而方便的建模方法，適用于對各種發(fā)動機(jī)進(jìn)行性能仿真，也為發(fā)動機(jī)及零部件的設(shè)計(jì)者提供了一種很好的CAE 分析工具。

　　4)集成設(shè)計(jì)方法的重點(diǎn)是如何將一些通用軟件有效地集成起來完成一個特定總成的設(shè)計(jì)與分析工作，探討集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能分解、集成建模方法、集成規(guī)劃設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)的調(diào)度與控制;系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形式，數(shù)據(jù)合理而有序的流動，以及應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。