基于GT-Power的汽车消声器降背压优化设计

丁吉民，胡光辉，严鑫映，左炜晨，何竹革，张利

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于GT-Power的汽车消声器降背压优化设计

丁吉民，胡光辉，严鑫映，左炜晨，何竹革，张利

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于GT-Power软件，对某乘用车消声器传递损失与背压仿真分析过程做了详细介绍，得到消声器传递损失曲线与背压值。在保证消声性能不下降的前提下，对此消声器进行降低背压的优化设计，最后通过试验验证仿真分析结果。文章可对汽车消声器设计起到参考作用。

GT-Power；传递损失；排气背压；仿真分析

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-140-04

引言

GT-SUITE系列软件是由美国Gamma Technology公司开发的一款完整的、自成体系的开发平台，涵盖发动机本体、驱动系统、热管理系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构、空调系统等车辆各个子系统。主要应用于发动机、动力系统、车辆性能等的设计和分析工作。包括GT-Power、GT-Suite-MP等模块。GT-Power是GT-SUITE下的发动机性能分析模块，能有效模拟计算发动机的功率、扭矩、油耗等参数，为发动机的性能优化提供方向，同时也能应用于噪声分析和消声元件的设计，可以节省大量的试验工作，缩短产品开发周期。

本文基于GT-Power软件对某款乘用车消声器做了仿真分析，得到消声器的传递损失曲线与背压值，并在保证消声性能不下降的前提下（消声性能以传递损失为依据）[1]，对此消声器进行降低背压的优化设计，提出几种优化方案，通过仿真计算找到最优的消声器优化方案，最后通过试验验证仿真分析结果，可以对汽车消声器的设计起到参考作用。

1、消声器传递损失仿真分析

1.1 排气系统仿真模型建立

排气系统仿真模型的建立就是用特定的图形工具准确描述消声器的结构，并离散成GT-ise模块能接受的管子、分支及其连接模型的过程。该模型能加入到GT-Power的仿真模型中用于排气系统的仿真分析。排气系统三维模型见图1。

图1 排气系统三维模型Fig.1 3D model of exhaust system

1.1.1 排气系统HyperMesh处理

该排气系统模型为三维实体模型，无法直接导入到GEM3D模块进行模型处理，本文所用的处理方法为先在HyperMesh中提取其相关内表面并进行网格划分，保存为stl格式的输出文件[2]，以方便排气模型在GT-Power的GEM3D模块进行前处理。图2为在HyperMesh中处理后的排气模型局部示意。

图2 网格划分后的排气系统模型Fig.2 Exhaust system after grid division

1.1.2 排气系统模型GEM处理

打开GT-Suit软件的GEM3D模块，选择处理好的stl排气系统模型，导入排气系统模型。对导入的模型进行GEM转化，并输入相关参数进行管路与隔板的穿孔以及腔体填棉，分别建立管路、消声器的GEM模型，根据实物参数建立催化器，并设置相关参数。建立好的二级消声器GEM模型如图3。

图3 二级消声器GEM模型Fig.3 GEM model of the second stage muffler

设置相关离散参数对GEM模型进行离散。离散后的二级消声器GTM模型如图4。

图4 二级消声器GTM模型Fig.4 GTM model of the second stage muffler

1.1.3 排气系统模型GTM处理

打开GT-Suit软件的GTise模块，对离散好的管路GTM模型进行排列组合，插入SubAssemblyExternal，导入消声器模型，建立排气系统GTM模型[5]，如图5。

图5 排气系统GTM模型Fig.5 GTM model of exhaust system

1.2 排气系统传递损失仿真计算

通过GT-Suit软件的GTise模块，删除排气歧管部分模型，为排气系统模型建立声源与无反射端。为加快计算速度，本模型未拟合发动机模型计算尾管噪声，而是使用固定带宽频谱连续均匀的白噪声，消声性能只以传递损失为依据。消声器前后的声功率之差即为传递损失。采用传感器法，通过四个传感器间的自相关谱和互相关谱得到声功率差。建立传递损失分析模型[3]，如图6。

图6 传递损失计算模型Fig.6 Transmission loss calculation model

设置相关参数后开始计算，计算结果如下图7所示。

图7 传递损失分析结果Fig.7 Analysis result of transmission loss

2、排气系统背压仿真计算

通过GT-Suit软件的GTise模块，在排气歧管前分别连接四个EndEnvironment模块，输入发动机参数，模拟发动机四个气缸，建立排气系统背压分析模型[4]。背压分析模型见图8。

图8 排气背压计算模型Fig.8 Back pressure calculation model

分析结果见图9，一级催化器前背压为62kPa。前期此方案排气系统实测为60.8 kPa，仿真结果误差约为2%。

图9 排气背压计算结果Fig.9 Analysis result of back pressure

3、消声器降背压优化设计

以原状态消声器传递损失及背压仿真结果为依据，在不改变消声器壳体结构的前提下，通过改变消声器内部管路直径、改变隔板穿孔、增加中间管路等手段提出了两种消声器降背压优化方案。

原方案见图3，两个优化方案见图10。

图10 二级消声器优化方案模型Fig.10 The second stage muffler optimization model

方案一为在原二级消声器基础上进气管加粗至45mm，出气管加粗为45mm，前后隔板各打两个直径20mm圆孔，出气管缩口取消；方案二在原状态基础上增加第三块穿孔隔板，增加直径33mm中间管路，改变进出气管穿孔，第二腔填棉处理，填棉密度110kg/m3。

将优化方案的消声器模型导入前期建立好的排气系统背压及传递损失计算模型进行计算，传递损失对比见图11。

图11 传递损失对比Fig.11 Comparison of transmission loss

上图中可以看出，两种优化方案与原方案传递损失在不同频率段略有差别，但总体消声水平相差不大。 背压仿真结果见表1。

表1 背压仿真结果Tab.1 Back pressure analysis result

4、优化方案噪声与背压实车验证

由于此次优化目的为降低排气背压，方案二的背压仿真结果更理想，因此选择方案二制作样件，做实车噪音与背压验证。

原方案与优化方案车内噪声对比如图12（图中“状态一”为优化方案）。

图12 车内噪声总级对比Fig.12 Contrast of interior noise

怠速尾管噪声对比如图13。

图13 怠速尾管噪声对比Fig.13 Contrast of the noise of the tail pipe in the idle state

由以上测试结果可以看出，在常用转速区间，优化方案的消声器车内噪声略优于原状态消声器，高转速区间二者相当。优化方案怠速尾管噪声为53.36dB与原方案值51.91dB相当，满足设计要求。

优化方案与原方案背压测试结果如图14，结果对比如表2。

图14 背压测试结果Fig.14 Back pressure test result

表2 背压值分析与测试结果对比Tab.2 Comparison of the results of back pressure value analysis and test

从验证结果可以看出，利用GT-Power软件仿真分析选出的优化方案的消声器传递损失及背压完全满足设计要求。

5、结论

基于GT-Power软件对某乘用车消声器做的仿真分析，得到实践的验证，并成功在保证消声性能不下降的前提下，对此消声器进行降低背压的优化设计。依照仿真分析结果选出的优化方案的消声器传递损失及背压完全满足设计要求。由此可见，在消声器的设计过程中，充分利用声学仿真分析软件的辅助，可以大大提高工作效率，降低实验成本，缩短开发周期。本文可对汽车消声器的设计起到参考作用。

[1]汤海娟等. 基于GT-Power软件的排气系统噪声分析与改进[J].客车技术与研究，2015,6：20-23.

[2]李楚琳等.HyperWorks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社,2008.

[3]汤鸿明等.基于GT-Power的消声器声学性能分析计算[J].装备制造技术.2015,11：30-32.

[4]卢元燕. 基于GT-Power分析应用的排气系统优化[J].制造业信息化.2014,9：120-122.

[5]岳东鹏等.基于GT-Power 的汽车消声器研究[J].小型内燃机与摩托车.2012,41（6）：30-33.

Optimization Design of Lower Back Pressure of Automobile Muffler Based on GT-Power

Ding Jimin, Hu Guanghui, Yan Xinying, Zuo Weichen, He Zhuge, Zhang Li
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, based on the GT-Power software, a passenger car muffler transmission loss and back pressure simulation process are described in detail, and the transmission loss curve and the back pressure value of the muffler is obtained. Under the premise of ensuring the noise reduction performance is not decreased, the muffler is optimized to reduce the back pressure, and finally the simulation results are verified by experiments. This paper can play a reference role in the design of automotive muffler.

GT-Power; transmission loss; back pressure; simulation analysis

U462.1

A

1671-7988 (2017)02-140-04

丁吉民，（1990—），男，底盘设计工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。主要从事乘用车进排气系统的设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.048