本文探討研究了汽車排氣系統的CAD/CAE集成開發方式相關內容。

　　本文探討了一種新穎的汽車排氣系統CAD/CAE 集成開發的思路和方法，此法將傳統的經驗設計理論與先進的專業軟件應用結合起來。首先明確系統的需求和目標，然后建立起排氣系統集成開發的環境，運用軟件工程的思想進行整體規劃和程序開發的模塊化，這種設計方法在很大程度上提高了設計精度和功效。文中以消聲器為例給出了其設計方法和在軟件上實現的流程圖。

　　1 排氣系統開發現狀分析

　　日益嚴格的排放法規和人類環境意識的增強對汽車節能凈化提出了高標準的要求，而排氣系統作為現代內燃機動力汽車的一個重要總成，其性能直接決定了發動機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進行有效的設計分析，如何使其與發動機合理匹配等，就成為現代汽車節能與凈化的關鍵技術之一。

　　在我國長期以來，汽車排氣系統的開發仍然停留在各部件單一設計，依賴簡單理論估算、經驗設計和大量試驗的基礎上[1]，這樣不僅費時費力，給排氣系統結構和性能的進一步優化帶來困難;而且，單獨對消聲器或催化器局部分散設計不能完全反映排氣系統的整體耦合特征，難以設計出令人滿意的產品。隨著計算機軟硬件技術以及計算流體力學(CFD)等仿真分析軟件的飛速發展 ，一些商用軟件逐漸完善，成為研究設計人員的有效工具。例如通過對催化器和消聲器進行數值模擬研究其阻力特性等[2]，這一方面為結構優化提供充分的理論指導，另一方面也大大降低了實際試驗的工作量，縮短設計周期，并且可以探索多種可能設計。

　　然而單一的商用軟件往往不能滿足復雜系統的整體開發，而需要選擇相關軟件進行二次開發和科學集成。目前針對整個排氣系統進行集成開發研究的還未見報道。為滿足排氣系統模塊供應商產品開發的需要，我們選擇了一些有專業特點的設計與分析軟件，以數據庫管理系統為紐帶，以VC 為開發語言，對這些軟件進行了集成和二次開發，初步完成了汽車排氣系統CAD/CAE 軟件，使其能在一個用戶界面下完成整個排氣系統的設計(CAD)與分析(CAE)功能，使傳統的經驗設計向精確的理論設計過渡，很大程度上提高了設計精度和功效。

　　2 排氣系統CAD/CAE 系統的任務和功能

　　2.1 任務要求

　　汽車排氣系統的設計是在給定發動機邊界條件、給定底盤布置的幾何約束條件，給定國家對排氣噪聲、污染物限值指標的法規限定，給定主機廠對發動機功率損失等其它約束性要求的條件下，通過CAD/CAE設計分析軟件對發動機排氣系統進行初步設計、性能分析和詳細設計，獲得與該車型、發動機匹配最佳的排氣系統產品。為此，發動機排氣系統CAD/CAE 軟件的任務從產品劃分來看，主要有三個，即消聲器設計分析、催化轉換器設計分析和整個排氣系統的設計分析，從性能指標的劃分來看，主要涉及排放指標、聲學性能和發動機輸出效率三個方面的協調優化(見圖1)。

圖1 排氣系統設計的任務要求

　　2.2 主要功能

　　排氣系統CAD 主要根據所選定的汽車和發動機來確定排氣系統的型式、結構、參數和性能，包括繪制系統總成和零部件三維工程圖，將傳統的人工設計變為計算機輔助下的半自動設計;排氣系統CAE 主要對已初步設計的排氣系統或現有排氣系統完成分析計算，包括分析其與發動機匹配時整個系統的性能參數。具體來說排氣系統CAD/CAE 所要完成的功能主要有：

　　1)催化轉換器初步設計。根據發動機排氣流量、排放物濃度和法規要求，初步確定催化轉換器的載體類型、體積、形狀，轉換器結構、尺寸等;

　　2)消聲器初步設計。根據發動機類型、轉速、排氣壓力等特征、法規要求等，初步確定消聲器類型、級數、結構、尺寸、吸聲材料等;

　　3)排氣系統的初步設計。根據底盤布置要求和排氣系統中消聲器、催化轉換器、排氣管系組成等，初步確定管系尺寸和相關裝置的位置、連接方式、懸掛方式等;

　　4)催化轉換器性能仿真分析，包括規定工況下污染物比排放率的預測;

　　5)消聲器性能仿真分析，包括在規定轉速和負荷下的消聲器插入損失、功率損失、發動機排氣背壓，排氣噪聲預測等;

　　6)與發動機耦合的整個排氣系統的性能分析;

　　7)實現催化轉換器、消聲器以及整個排氣系統與發動機的匹配計算;

　　8)輸出排氣系統的總圖以及催化轉換器、消聲器的零部件結構圖;

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

　　3 汽車排氣系統CAD/CAE 集成開發環境的建立

　　3.1 系統的組織結構

　　為滿足排氣系統CAD/CAE 的任務要求，我們可以建立如圖2 所示的系統組織結構圖。其中，基礎軟件層和支撐軟件層是外購的用于排氣系統設計分析的商用軟件，它們是排氣系統CAD/CAE 的基礎，為相應的設計、開發、集成、運行與維護提供全面的服務;也為功能應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軟件提供了一個方便友好的環境。

圖2 系統集成開發環境的組織結構

　　3.2.1 硬件配置

　　PIII600 以上微機;

　　256M 以上內存;

　　10G 以上硬盤空間;

　　WINDOWS2000 及以上操作系統。

　　3.2.2 軟件配置

　　集成開發環境中的應用軟件主要包括三維CAD造型軟件(UG-II、Solidworks、Pro-E等)，發動機性能仿真軟件(BOOST、HUST-MK14、GT-Power 等)，車輛性能仿真軟件(Cruise、Advisor 等)，CFD軟件(STAR-CD、Fluent 等)，聲學分析軟件(Sysnoise 等)，數據可視化分析計算軟件(MATLAB 等)。

　　上述軟件根據項目需要選定，均在Windows 操作環境下工作，自編軟件部分采用VC 開發語言[3]。

　　3.3 程序開發的主要內容

　　用戶界面層和功能應用層是我們要開發的部分，所編寫的程序代碼要實現圖3 中的虛線部分內容。程序開發主要有三部分內容：用戶界面、功能模塊和數據接口。用戶界面采用VC 6.0 在Windows 2K 或XP 操作系統下開發，因此所開發的應用程序也具有Windows 操作系統界面風格，采用下拉式功能菜單設計，界面清晰友好。窗口的菜單欄、工具條和視圖域等的設置和布局視功能需要而定。它要完成所有的任務調度和功能模塊的管理。

圖3 程序開發的內容

　　功能模塊的開發可以采用VC ，也可采用MATLAB 等其他的語言編程，它包括排氣系統、催化轉換器和消聲器的設計過程、軟件公用模塊和計算結果顯示等。這些功能模塊的數據輸入和輸出都是基于數據庫或者圖形庫。

　　數據庫既是系統輸入數據的來源，又是計算結果的存儲目的地。數據庫記錄著結構、性能參數、功能模塊的過程數據和計算結果。采用關系數據庫建立整車、發動機、催化轉換器和消聲器四個數據表，它們相對獨立又相互關聯，一條完整的數據記錄是產生于這些數據表的一個視圖。選擇中小型的數據庫平臺，并考慮數據合理而有序的流動，編寫數據庫操作功能函數來實現各種軟件之間數據格式的相互轉換。

　　排氣系統的基本三維結構模型和部分設計結果需要用到圖形顯示，圖形庫以文件的形式單獨存放。與數據庫的聯接是軟件處理圖形信息的關鍵，本軟件采用一些數據庫操作命令，可使數據庫中的某字段與圖形文件相關聯，還可以從圖形中提取必要的參數信息。

　　4 軟件設計的整體規劃

　　為了便于開發和維護，可以將軟件在具體編程實現中劃分為主程序、催化轉化部分設計分析程序、消聲器部分設計分析程序、排氣系統計算分析程序、公用模塊五個部分。

　　4.1 主程序 中國熱模網首發

　　功能：用于處理用戶操作，包括各種原始數據的輸入、查詢和修改等操作，數據的存取，以及計算結果的顯示等。相當于整個系統的外殼，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功能。包括系統數據維護、簡單的編輯、催化轉換器設計、消聲器設計、排氣系統分析、后處理器(顯示/打印結果)、系統設置等。

　　4.2 催化轉換器部分設計分析程序

　　功能：集中處理催化轉換器部分的計算、設計與分析。基本流程為輸入/讀取數據→計算分析→輸出/存儲結果。

　　功能模塊：指與催化器相關的各種子模塊。包括初步經驗設計理論、結構參數的選擇、轉化效率預測、催化器流動數學模型、壓力損失計算等。

　　4.3 消聲器部分設計分析程序

　　功能：集中處理消聲器部分的計算、設計與分析。基本流程為輸入/讀取數據→計算分析→輸出/存儲結果。

　　功能模塊：指與消聲器相關的各種子模塊。包括初步經驗設計理論、結構參數的選擇、聲學性能參數計算、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 排氣系統計算分析程序

　　功能：整個排氣系統的計算、設計與分析。基本流程為輸入/讀取數據→計算分析→輸出/存儲結果。

　　功能模塊：指排氣系統的各種子模塊。包括發動機理論模型、底盤布置參數處理、各部件的耦合、與發動機匹配分析、局部流場分析、車輛排放性能預測等。

　　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，包含以下幾種模塊：

　　數據庫操作模塊

　　功能：封裝數據庫的基本操作，為其他各個程序模塊提供接口。數據庫操作以Microsoft® Data Access Components(MDAC)為基礎，可以適用于各種Windows 平臺的數據庫，包括單機和網絡。

　　形式：DLL 動態庫文件，供其他程序調用。

　　界面管理模塊

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

　　形式：DLL 動態庫文件。

　　其他公用函數庫

　　功能：封裝其他各個模塊都需要用到的函數、類以及資源等。

　　形式：DLL 動態庫文件。

　　5 排氣系統設計分析方法示例

　　下面以排氣系統的消聲器設計為例來說明其設計方法和在計算機軟件系統上的實現流程。

　　為實現消聲器的設計目標，我們采用二步設計法[4]。第一步根據發動機參數、噪聲特性、降噪要求和安裝空間等限定條件，應用經驗知識和聲學四端網絡理論對消聲器的結構型式及主要參數進行初選，形成幾種初步的設計方案;第二步用GT-Power 軟件的分析模型對重點設計方案進行詳細的計算分析。根據不同情況，詳細計算可以對單獨的消聲器、包括消聲器在內的排氣系統、包括發動機和消聲器在內的發動機排氣系統進行，以獲得更精確的噪聲降低值、流動損失或功率損失。這樣從中優選出最合理的方案型式，再對優選的方案進行局部的參數調整，以達到整體優化并完成設計。

　　5.1 以四端網絡法為主的消聲器初步設計

　　聲學四端網絡模型(又稱四極子線路)是建立在聲波與電或機械振動相類比而形成的聲線路的基礎上的一維消聲模型，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

　　在初步設計過程中，可以先利用一些經驗公式來選擇消聲器的結構形式，確定消聲器容積和截面尺寸，估算出各節擴張室長度和擴張比，確定共振室結構參數，初步計算消聲量;然后根據圖4 所示的聲學四端網絡模型對不同結構的抗性消聲器之傳遞損失和插入損失進行預測。

　　5.2 消聲器聲學性能分析

　　評價汽車消聲器性能的指標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動機功率下降，一般用它作為消聲器對內燃機性能影響的指標。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。而壓力損失計算方便，只要計算消聲器入口和出口處的氣流壓力差，在模型上對消聲

　　器前后壓力進行輸出/打印設置即可。

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

　　AcoustExtMicophone 模塊相當于一個外置式麥克風，它能根據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 轉換成聲波文件由媒體播放器播放出真實的聲音。

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

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

　　EndFlowSpeaker 用能產生隨機白噪聲的揚聲器作為聲源，模擬雙話筒隨機噪聲試驗方法， 對消聲器結構進行優化和對不同結構的消聲器進行對比分析。

　　5.3 軟件設計基本流程圖

　　根據以上設計過程和分析方法，可以繪出其在軟件系統中實現的基本流程圖，如圖5 所示。需要指出的是，實際開發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，局部的計算和分析功能模塊需要進一步細化。

圖5 消聲器設計基本流程

　　6 結論

　　1)本文以一種新穎的設計思想將傳統的經驗理論設計和先進的專業軟件應用結合起來，集成開發汽車排氣系統CAD/CAE 軟件，在很大程度上提高了設計精度和功效，為此類產品的設計開發提供了一條高效、優化、低成本的思路和方法。

　　2)軟件工程和面向對象的思想在本設計過程中得到了很好的體現，先對系統作可行性和需求分析，明確總目標和階段性目標;然后進行系統設計，設計的流程是構造軟件系統的基礎;程序開發功能模塊化;設計完成進行測試維護;并考慮系統的通用性、移植性和可擴充性等問題。

　　3)排氣系統的設計與其他總成相比較有其自身的特點，主要體現在其理論的復雜性，它涵蓋了振動、噪聲以及流體力學等多學科領域的內容。GT-Power 是一種優秀的發動機性能模擬與仿真軟件，被稱為“虛擬發動機”。它豐富的解析機能，準確的物理模型和簡單而方便的建模方法，適用于對各種發動機進行性能仿真，也為發動機及零部件的設計者提供了一種很好的CAE 分析工具。

　　4)集成設計方法的重點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計與分析工作，探討集成系統的體系結構、功能分解、集成建模方法、集成規劃設計和集成系統的調度與控制;系統數據的結構形式，數據合理而有序的流動，以及應用軟件之間數據格式的相互轉換。