车辆工程专业毕业设计初稿.docx

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车辆工程专业毕业设计初稿

●车辆工程专业毕业设计初稿

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毕业设计说明书

作者：

xx学号：

xxxxxx

学院：

xxxxx

系（专业）：

车辆工程

题目：

CBR600发动机排气系统设计分析

指导者：

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2020年5月21日

毕业设计（论文）中文摘要

题目CBR600发动机排气系统设计分析

摘要：

排气系统要紧由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成,不仅阻碍汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。

近年来越来越多的研究说明排气系统流场也能产生较大的气流噪声,从而阻碍系统声学性能。

而过去对汽车排气系统消声器的研究设计要紧是从平面波理论方一直考虑声波传播。

近年来随着各种CFD（ComputationalFluidDynamics运算流体动力学）软件的应用与普及,更多的企业采纳CFD软件来模拟排气系统流场。

但他们大多数会有较大的误差，因为他们排气系统CFD分析采纳空气近似发动机排气来运算系统流场,。

本文使用模拟所得的发动机排气参数通过Fluent软件仿真运算排气系统三维流场来进行分析,然后进行验证。

第一将排气系统结构在UG软件中建立的排气系统流场三维实体模型导入Gambit软件中，划分有限体积离散网格及设置流体边界,在Fluent软件中进行排气系统的CFD分析,得到排气系统的温度、压力、速度的分布图,依照流体力学、传热学来分析排气系统的流场。

关键词：

排气系统；运算流体动力学；消声器

毕业设计（论文）外文摘要

TitleTheanalysisanddesignofCBR600engineexhaustsystem

Abstract

Theexhaustsystemismainlycomposedoftheexhaustmanifold,exhaustpipe,catalyticconverter,exhausttemperaturesensor,automotivemufflerandexhaustpipes,notonlyaffectthefueleconomyanddrivingpower,alsoisanimportantpartofautomobileemissionreduction.Inrecentyearsmoreandmoreresearchesshowthattheflowfieldofexhaustsystemcangenerateairflownoise,thusaffectingthesystemacousticperformance.InthepastresearchonDesignofmufflerexhaustsystemismainlytoconsiderthewavepropagationdirectionfromtheplanewavetheory.Inrecentyears,withallkindsofCFD（ComputationalFluidDynamicscomputationalfluiddynamics）andthepopularizationofsoftwareapplications,moreandmoreenterprisesusingCFDsoftwaretosimulatetheflowfieldofexhaustsystem.Butmostofthemwillhaveagreatererror,becausetheyexhaustsystemCFDanalysisusingapproximateengineexhaustairtocalculatesystemflow,.EngineexhaustparametersusingsimulatedthroughtheFluentsoftwaresimulationofthree-dimensionalflowfieldoftheexhaustsystemtocarryontheanalysis,andthenverify.TheexhaustsystemstructurebasedonUGsoftware,theflowfieldofexhaustsystemofthree-dimensionalentitymodelintoGambitsoftware,finitevolumediscretegridsandsetthefluidboundary,carriesontheanalysisoftheexhaustsystemCFDinFluentsoftware,distributionoftemperature,pressure,speedistheexhaustsystem,accordingtotheflowofexhaustsysteminfluidmechanics,heattransfer.

Keywords：

Theexhaustsystem;computationalfluiddynamics;muffler

（空2行）

目录（4号黑体，居中）

1引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同）…………1

2××××××（正文第2章）……………………………………………………Y

2.1××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y

2.2××××××（正文第2章第2条）…………………………………………Y

2.X××××××（正文第2章第X条）…………………………………………Y

3×××××（正文第3章）………………………………………………Y

………………………………………（略）

X×××××（正文第X章）………………………………………………………Y

结论……………………………………………………………………………………Y

参考文献………………………………………………………………………………Y

致谢………………………………………………………………………………Y

附录A××××（必要时）…………………………………………………………Y

附录B××××（必要时）…………………………………………………………Y

图1×××××（必要时）…………………………………………………………Y

图2×××××（必要时）…………………………………………………………Y

表1×××××（必要时）…………………………………………………………Y

表2×××××（必要时）………………………………………………

名目

1引言

排气系统要紧由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成,不仅阻碍汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。

1.1研究方程式赛车排气系统的目的及意义

示意图

汽车排气系统是指收集同时排放废气的系统，一样由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。

汽车排气系统是要紧是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。

汽车排气系统要紧用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆[1]。

排气系统最差不多的功能确实是引导发动机做功时所产生的废气排出车外，由于排气系统对发动机换气的阻碍和排气噪声的存在，排气系统在设计的最大目标确实是优化排气过程提高发动机的换气效率以及减少排气噪声。

FSAE赛车排气系统与民用车的性能取向有一定的区别，FASE赛车或者说大多数高性能的赛车的排气系统和民用车排气管在性能取一直说是专门不一样的。

排气管最差不多的作用确实是引导发动机废气，隔绝排气高温。

民用车为了操纵成本，往往使用易于大量生产的工艺和材料制造，而且在设计的时候往往也是为了能够尽量减少成本，没有在排气系统如何优化发动机表现上面多下功夫。

而赛车排气管则是相反，由于赛车产量少，追求高性能表现，对成本操纵要求低。

因此往往用不易于量产的工艺和材料。

而在设计上差别更是庞大，由于能够使用比较费时的工艺，在排气系统的设计上受到的束缚专门少，能够做更多有利于发动机性能的设计。

而更重要的赛车的设计完全是为了竞速，因此在总布置上面的给排气系统留下足够的空间，如此排气系统就能够使用一些在民用车内做不了的设计。

例如利用汽车的震动和惯性让排气系统在排气门邻近的压力降低，如此排气更加顺畅，提高发动机的充量系数。

从而获得了更大的扭矩和功率。

具体的确实是优化设计排气歧管，让排气初段相互独立，互相不干扰，而且排气顺畅，运算好合适的排气歧管初段长度，保证每个汽缸的排气歧管长度等长，最后又让各缸排气歧管相会一处排出废气。

排气系统的另外一个重要的功能确实是降低发动机的排气噪声，在这点上赛车尽管降噪的要求比较低，然而FSAE并不是专业的竞速赛事，但考虑到赛事的安全性等，也有一定的噪声要求【2】。

1.2、赛事规则的限制【3】

规则中关于赛车的排气系统做了以下要求：

赛车排气系统必须安装消音设备，用以使噪声达到承诺程度。

尾气出口设置必须要合理。

使赛车以任何速度行驶时车手都可不能受到尾气污染。

排气口不得处在后轴中心线后60cm之后的位置，距离地面不得高于60cm。

假如排气系统的零部件从车身两侧延到主环往常，那么这些零部件必须有护照遮盖，防止车手或其他人员烫伤。

噪声等级上限为110dB

排气管和车手以及油箱要有一定的距离，即便有隔热设备额存在，假如离得太近也是会让裁判觉得不安全

排气系统要合理的固定在车架上，不能有不牢靠的固定方式

排气系统消声的相关进展与研究

消声器是一种既能够有效降低噪声又能使气流顺利通过的设备。

通过声学工作者们几十年的长期研究，消声器的运算方法和结构形式都得到了不断完善和进展。

最早显现的是无源消声器，包括阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器等。

其中抗性消声器又进展为扩张式消声器、共振式消声器、无源干涉式消声器以及微穿孔板消声器等。

二十世纪五十年代，国际上提出了有源消声器的概念【4】。

这种消声器是通过人为的产生一个与声源幅值相同、相位相反的声波来操纵声源的发声特性，使噪声源辐射的可听声的声功率降低，从而达到消声的目的。

随着现代数字信号处理技术的进展以及电子操纵装置性能的提高，有源消声器也得到了进一步的进展。

但在我国应用最多的依旧无源消声器。

消声器的理论研究最早可追溯到1922年，美国学者stewart领先使用用声学滤波器理论指导了抗性消声器设计，利用了集中参数近似算法分析消声器元件。

这种理论只有在声波远大于消声器尺寸时才成立。

五十年代中期，Davis等人采纳一维波动方程，利用截面突变处体积振动速度和声压的连续性，运罢了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔【6】。

五十年代后期，Igarashi等人利用等效电路方法运罢了消声器的传递矩阵。

依照电路中的四端网络原理，每个消声器单元的声传递特性用四极参数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单元的四极参数矩阵的乘积来确定。

这种以四极参数为基础的传递矩阵法在不考虑流速和温度梯度的平面波范畴内运算结果比较准确【7】。

在Igarashi和Davis的基础上，通过大量声学工作作者的努力研究，在用传递矩阵法运算消声器的插入缺失和用声传播法运算消声器的传递缺失方面，有了比较成熟的运算公式。

其中传递矩阵法相关于声传播法有简单方便、有用性强的特点，从而得到了广泛应用。

但这些公式成立的前提条件是：

没有流速和温度梯度的阻碍；气体按平面波形式传播；忽略介质粘性和介质能量耗散；消声器壁面无振动，不透射声能。

由于这些假设与实际情形有较大的出入，导致理论分析结果和实际测量结果之间有较大的差距。

因而这些理论只能用于消声系统设计方案的比较，距对排气消声器的实际应用要求还有不小差距。

Alfredson等人通过将膨胀腔消声器的消声量测量值和理论值比较，发觉考虑流淌时理论值与实测值一致，忽略流淌时两者差别较大。

Sreenath和Munjal的研究认为忽略温度梯度的变化也将会导致推测与实测的差异[8]。

可见对消声器消声特性的研究必须要考虑到温度和流速梯度的阻碍。

针对气流对消声器性能的阻碍，各国学者导出了存在气流时的声传递矩阵，这确实是线性声学的声波分析法。

这些传递矩阵的建立依靠于以下五个假设：

1、线性化假设。

2、无损耗假设。

3、平均流淌假设。

4、平均参数假设。

5、平面波假设。

考虑排气系统温度变化时，则能够使用一系列定常温度单元和线性温度梯度单元来模拟温度变化[9]。

以上差不多上基于一维平面波理论对消声器内部的声场作近似理论分析。

当声波波长远大于管道截面几何尺寸且噪声频率不太高的情形下，平面波假设和实际情形比较一致。

但随着消声量要求的增加，消声器的结构形式将比较复杂，截面的几何尺寸一样都可不能远小于声波的波长，这时在扩张腔内显现了高次模式波，采纳平面波与线性化假设会产生较大的偏差，专门是当声波频率较高，波长相应较短时，这种偏差更明显。

因此应该寻求更加接近真实情形的二维或三维分析方法。

各种数值方法的进展及运算机技术的应用与普及，为合理的推测复杂消声器声学性能同时从理论上指导消声器设计提供了可能。

有限元法和边界元法是消声器声学性能分析中比较常用的数值方法。

有限元法在1975年第一由Young和Crocker应用在分析消声器元件的传递缺失中[10]，之后通过众学者的完善，被广泛应用在结构和边界条件更复杂的消声器设计中。

有限元法设计消声器的优点是可进行二维或三维的运算，较传统的消声器传声特性的分析方法——声电类比法和特点线法，有限元法可直截了当求解消声器内部的波动过程，能够充分考虑壁面振动、介质、流速和温度梯度等参数的阻碍。

许多研究说明[11][12]，有限元法能比较准确的模拟任意复杂形状消声器的消声特性，并使得高次模式波的分析成为可能。

在合理的选取边界条件的情形下，提高了分析精度。

边界元法是二十世纪七十年代末进展起来的一门新数值方法，它与有限元法这类区域型方法相比较，只需离散区域边界而不必对内部区域进行具体划分，相当于仅在区域的外表面上取有限单元。

减少了划分模型单元的工作量和求解方程的个数。

边界元法专门适合于求解无限域问题，能方便的运算管口的声辐射特性。

但当分析消声器内部声场特性时，依照日本秋田大学的T.TSUJI[13]等在用有限元和边界元法对声波在一简单扩张腔内传播特性的研究发觉，在声波按平面波传播的频率范畴内，用有限元法运算出的结果与解析法运算的结果比较的吻合，用边界元法运算出的结果误差较大，且膨胀比越大，误差越明显。

可见分析消声器内部声场特性的时候，边界元没有有限元精确，而且考虑到流速和温度梯度的阻碍也比较困难。

在消声器的声学数值运算方法进展的同时，运算流体力学（简称CFD）在消声器内的流场分析中也得到了越来越多的应用[14][15]。

它能够比较准确的分析消声器内的流速、温度和声压的分布情形。

将流场分析与声场分析结合能够同时得到消声器的声学特性和空气动力特性，是个取长补短的好方法。

自九十年代以来，随着高速、大容量、小体积工作站的显现，各种在工作站上使用的软件系统也纷纷显现在市场。

在声学分析方面,比利时的LMS公司开发的SYSNOISE软件和美国ANSYS[16]公司开发的有限单元分析软件等差不多上目前国内外市场上应用比较好的有限元噪声分析软件。

其中SYSNOISE[17]软件包括有限元、无限元、直截了当边界元和间接边界元等等多种分析方法，且这些方法之间还能够相互耦合。

能够对各种噪声情形进行准确的分析。

然而SYSNOISE没有前处理功能，它必须借助ANSYS等其他软件完成建模工作。

在流体方面，随着运算流体力学（CFD）的迅速进展，也显现了许多CFD通用软件包。

常用的有美国LosAlamos国家实验室的研究者开发出来的KIVA系列程序、FLUENT,SRAR—CD,FIRE以及ComputationalFluidDynamicsServices,AEATechnology推出的CFX等等[18]。

它们的差异表现在各种描述燃烧与流淌的物理化学过程模型的各种有机组合以及采纳不同的数值运算方法上。

其中CFX[19]采纳的是有限体积法，采纳了多块网格划分技术，另外它还有五种湍流模型可供选择：

低雷诺数k−ε模型、标准k−ε模型、雷诺应力微分方程模型、代数应力模型和雷诺流淌微分方程模型。

因此采纳CFX能够进行多相流淌、气体燃烧，混合热传输、多孔介质渗流以及可压、不可压、定常、非定常等许多工程实际问题的模拟，而且它具有良好的图形化界面，使用专门直观方便。

消声器在国内的研究也经历了由早期实验方法到一维平面波理论的辅助分析以及现在的三维数值模拟分析，单纯从考虑声学特性到考虑流速温度的阻碍等过程。

1994年江苏理工大学的蔡超用有限元方法运罢了轴对称抗性消声器的传递缺失，通过实验验证和声传递矩阵运算结果比对发觉有限元具有较高的精度[20]。

1998年大连理工大学的季振林使用传递矩阵和边界元法运罢了整个排气消声系统的四极参数，使用双负载法与特点线法确定发动机的声源阻抗和强度，实现内燃机排气噪声与消声器插入缺失推测，并与实测结果吻合良好[21]。

1999年华中理工大学的黄其柏[22]等研究了考虑非平均流场的刚性直管声场传递矩阵，通过将刚性直管沿轴向分成多个微段，同时假定每个微段内温度、气流马赫数和声速保持不变的情形下，利用各微段间声压和体积速度的连续性推导出了声场传递矩阵。

2003年吉林大学的丁万龙[23]等用边界元方法对某摩托车排气消声器进行了数值仿真分析，在实验验证的基础上运用仿真结果提出了切实可行的方案。

同年江苏大学的陆森林[24]用三维有限元法运算出消声器的四端子参数，然后利用所求得的参数预估了消声器的性能，同时对扩张式上限频率和扩张式长度对消声器性能的阻碍进行了讨论，对消声器设计有一定的参考价值。

2003年山东大学的李国祥[25]利用k−ε双方程模型对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研究，同时就消声器内部气流速度、温度变化对消声性能的阻碍进行了分析。

综上，在消声器声学特性与空气动力特性推测分析方面前人已作了大量的工作，形成了专门多好的理论和方法供我们借鉴与参考。

国外专门多闻名的汽车公司和研究部门在利用大量数值运算和有限的试验相结合来设计消声器方面差不多做了大量的研究并体系化。

但我们国家在这方面起步晚，体会少，要缩短我国消声器设计水平与国外的差距，在提高消声器试验技术和试验设备，完善数值模拟方法方面我们都有待进展。

1.3、方程式赛车国内外进展状

1.3.1国外FSAE进展背景

FormulaSAE是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或者研究生举办的一项学生方程式赛车竞赛，要求在一年之内制造出一辆在加速、刹车、操控性等方面有优异的表现同时有足够稳固耐久性，能够成功完成规则中列举的所有项目的业余休闲赛车。

自1981年创办以来，FSAE赛事已进展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成的，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。

SAE方程式（FormulaSAE）系列赛起源于1978年。

第一次竞赛于1979年在美国的波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。

当时的规则是要求参赛者制作一台5马力的木制赛车。

SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计和制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。

为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车的设计方面限制将会专门少。

赛前车队通常有8至12个月的时刻设计、建筑、测试和预备赛车。

在与来自世界各个地点的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展现其制造力和工程技术能力的机会。

为了达到竞赛的目的，学生能够把自己假想为设计人员。

某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。

预期的销售市场是周末业余的汽车竞赛。

因此，该赛车必须在加速，制动和操控性能方面表现杰出。

该赛车必须易于修理、成本低廉、可靠性好。

此外，考虑到市场销售的因素，该车既需要美观、舒服，零部件也需要有通用性。

制造企业打算每天生产四辆该型车,同时要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年差不多取消）。

各设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。

各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。

1.3.2中国FSAE背景

中国的FSAE项目起步比较晚，目前国内有湖南大学、上海交通大学、同济大学、厦门理工已拥有车队和车辆，吉林大学、北京理工大学、清华大学和天津大学等拟筹建。

。

同济大学与厦门理工于2008年完成赛车的试制，同济大学已报名参加2009年的竞赛。

FormulaSAE赛事是一项极具考查学生是否有持之以恒精神的赛事。

它考查每名队员的耐力，在每一个时期都会显现各种各样的问题，而解决这问题需要细心、耐心、不厌其烦的一遍一遍的摸索。

在有限的条件下，任何一处的结构设计都专门难一次性完成，强度不够，运动干涉等差不多上常会遇到的问题，这些问题的解决也需要花费专门大的心思和精力。

由于FormulaSAE赛事是一个边学边做，边做边学习的过程。

总是在失败中慢慢的成功。

中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关体会的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事，这项竞赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本操纵能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。

这不是一场竞速竞赛或节油竞赛，而是汽车人才综合素养的比拼，这项赛事通过全方位考核提高学生们的设计、制造、成本操纵、商业营销、沟通与和谐五方面的综合能力，从而全面地提升综合素养。

以后支撑中国汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国FSAE大赛的目的，确实是为中国汽车产业的进展做长期的人才积蓄。

通过FSAE大赛学到专门多书本上学不到的东西，并能够将知识转化为专业技能，同时还能锤炼.学生的团队合作能力和责任感。

大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素养，为汽车工业健康、快速和可连续进展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

1.4、课题的要紧任务

针对我校在大学生中举行方程式赛车的情形，本次毕业设计要紧进行方程式赛车排气系统设计任务，依照方程式赛车的设计要求进行，按照汽车排气系统结构开展赛车排气管与消声器的设计工作。

赛车设计参数：

发动机型式：

CBR600；

轴距≥1525mm；

轮辋直径14英寸；

胎面宽度:

195

制动器型式：

盘式；

结构：

摩托车制动器；

毕业设计内容：

确定赛车排气管、消声器结构型式，完成排气系统在赛车内的布置，完成赛车消声器、排气管结构图纸，完成消声器排气管与车架连接件件图纸，完成消声器的运算分析。

这次毕业设计要紧进行方程式赛车排气系统的分析