摘 要

在我国若干中小型城市和农村，摩托车的使用量和存有量十分巨大。随着国家排放法规的日益严格，企业对摩托车的噪声和排放控制要求也越来越高。摩托车主要的噪声是排气噪声，消声器作为控制摩托车排气噪声的主要方式，对它的设计与开发进行研究具有重大意义。本文通过对理论基础的研究，通过分析计算，设计了一款消声器，得到了其基本结构和尺寸。通过CATIA建立消声器三维实体模型，导入GEM3D进行离散化处理，将离散化获得的数据导入GT-power软件中建立发动机与消声器耦合模型，通过仿真分析获得了消声器传递损失、插入损失和压力损失的数据，为消声器的设计与开发提供了依据。使得所设计的消声器达到了催化转换器与消声器集成的目的，实现了噪声和排放的双重控制。

关键词：摩托车；排气消声器；排放控制；GT-power

Abstract

In a number of small and medium-sized cities and rural areas in China, the use and storage of motorcycles is very large. With the increasingly stringent national emission regulations, companies are increasingly demanding motorcycle noise and emission control. The main noise of motorcycles is exhaust noise. Muffler is the main way to control motorcycle exhaust noise. It is of great significance to study its design and development. This article through the study of the theoretical basis, through analysis and calculation, designed a muffler, obtained its basic structure and size. The three-dimensional solid model of the muffler was established by CATIA, GEM3D was imported for discretization, and the data obtained from the discretization was imported into the GT-power software to establish a coupling model of engine and muffler. The data of transmission loss, insertion loss and pressure loss of the muffler were obtained through simulation analysis. It provides the basis for the design and development of the muffler. The designed muffler achieves the goal of integrating the catalytic converter with the muffler and achieves dual control of noise and emissions.

Key Words：Motorcycle; Exhaust muffler; Emission control；GT-power

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 软件介绍 3

1.4本文主要内容 4

第2章 摩托车消声器的初步设计 6

2.1消声器设计的声学基础 6

2.2消声器的评价指标 7

2.3消声器的设计要求 8

2.4 排气消声器的类型选择 8

2.5 排气消声器的结构设计 9

2.6 消声器尺寸设计 10

2.7 本章小结 10

第3章 排气消声器模型的建立 11

3.1消声器三维实体模型的建立 11

3.2消声器离散模型的建立 12

3.4 本章小结 13

第4章 排气消声器的声学性能仿真分析 15

4.1 建立发动机仿真模型 15

4.2建立传递损失模型 16

4.3 建立发动机和消声器耦合模型 17

4.4传递损失分析 17

4.5 插入损失的分析 18

4.6 压力损失的分析 19

4.7 摩托车尾气的排放以及处理方法 19

4.8 本章小结 20

第5章 总结和展望 21

5.1总结 21

5.2展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

现阶段，在我国若干中小型城市和农村，摩托车的使用量和存有量十分巨大，其产生的噪声污染和排放的有毒有害气体总量巨大，严重影响人的身体健康，同时对环境造成恶劣影响。而摩托车最主要的噪声是排气噪声，主要的有毒有害气体是燃料不充分燃烧产生的废气，消声器是控制摩托车排气噪声、处理有毒有害尾气的主要工具。然而随着排放法规的日益严格，传统摩托车的消声器已不足以满足现在的消声需求和尾气净化要求，因此设计出符合现今排放标准且同时具有消声功能和尾气净化功能的消声器具有重要意义。同时消声器消声量的提高通常建立在牺牲发动机功率的基础上，会对发动机的动力性能以及燃油经济性造成直接影响，这有悖于现今节能减排低碳环保的主题，因此如何在保证发动机动力性能和燃油经济性的前提下尽量提高消声器的消声性能，达到消声性能、空气动力性能及经济性能的平衡，也是一个值得研究的问题。

本文将通过数值分析方法完成一款摩托车排气消声器的设计和开发，为满足排放法规的要求，该消声器将实现和催化转换器的集成。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

国内的专家学者通过大量研究，为消声器的设计选型提供了大量依据，提出了很多仿真分析以及设计方法。

谢有浩等人主要分析论述了，在选型方面，消声器可分为抗性消声和阻性消声器以及复合式消声器，抗性消声器里有扩张式消声器和共振消声器，膨胀腔是组成抗性消声器的主要组合元件，同时膨胀腔又可看作最简单的扩张式消声器，具有良好的低频消声性能，一般在进出口管偏移处存在膨胀腔^[1]。共振式消声器一般为穿孔结构，可以与膨胀腔共同作用，对各频率的噪声都有削弱作用。阻性消声器是在消声器里装入吸声材料，使得声能被吸收转变成热能。

董力平详细说明了排气管消声器的设计过程，即先不规定降噪要求，而是利用优化方法在试选消音单元中使针对频程的降噪最大，并且在组合后形成的消声器中使总体噪声被降低的程度最大，同时考虑保持排气管的最大排气动力效应，再来验证降噪最大是否满足设计要求^[2]。如果满足降噪要求，则进一步优化排气管的结构，并尽可能提高排气管的动力效应；如果不能够满足要求，则需要在保证排气管动力效应的前提下重新设计消声器结构使其达到降噪要求，如此反复直至符合设计要求为止。

梅晓铭等人引入了声品质的概念，即使消声器符合人耳听觉感受，且以声品质作为指导和依据来设计改进消声器^[3]。通过结合仿真结果对原始声样本进行滤波分析的方法，周期短，可操作性强，成本低效果好。通过分析响度，尖锐度，粗糙度，抖动度等主观评价参量，利用声学有限元仿真计算，结果显示高出2500Hz频率就开始出现高次波，中高频消声量明显下降，导致尖锐度升高，声品质变差。在消声器的改进方面，进行了穿孔板、穿孔率、孔径、孔距对消声器传递损失的影响的研究，其研究结果表明加穿孔板能够有效提高消声器对中低频噪音的降噪效果^[3]。

刘淑玉等人提出了消声器设计选型的具体方法^[4]。理论上，腔数越多高频消声越好，低频消声越差，反之亦然。通常将筒体分隔为2~4腔。在消声器筒体体积估算时，消声器筒体体积较小则会导致发动机功率损耗较大，消声效果较差；容积较大虽然消音量大、功率损耗小，但消声器装配性能变差，且消声器成本会上升，在选择筒体体积时选择稍高于设计目标即可^[4]。

林森全等人为了寻求一种更为简单有效的消声器设计方法，将传统的消声器设计理论与GT-power仿真软件相结合，构建了基于GT-power的消声器优化设计流程，通过GT-power软件的声学和流体仿真功能对各消声器结构进行仿真分析，通过比较消声器的插入损失和压力损失，分析结果再对消声器进行结构优化^[5]。并且提出对于发动机排气系统，采用抗性消声器最为合适，且因为是全金属结构，结构简单，耐高温、赖腐蚀、赖气流冲击，成本低、寿命长。

1.2.2 国外研究现状

国外的学者对消声器的设计理论进行了大量分析工作，同时为建立发动机和消声器的耦合模型提供了基于各种软件的多种方法。

Fukuda引入了等效电路传递矩阵，他将声学研究理论同电路中的电压和电阻等效起来，将计算电压和电阻的方法用于计算消声器，此法可用于计算结构较为复杂的消声器^[6]。同时在计算消声器的传递损失时，可以将一个复杂的消声器分割成若干部分，然后依次计算每个简单部分的传递损失，最后将各个部分的结构叠加得到整个复杂结构的数据。

C.Q.Joemid对理论基础进行了说明，声振现象主要通过声速、声压以及质点振动速度等声场变量来研究其规律，声变量的控制方程即为声波方程[7]。理论分析有几个基本假设：1.介质为理想流体，并且声波在其中传播能量零损耗；2.介质均匀连续，其静态密度和静态压强为常数，且其初速为零；3.声传播过程绝热；4.介质中传播的是小振幅声波，各声场变量都是一阶微量，可以用线性波动方程描述^[7]。

H.L.Sunix等人以某款商用车消声器为研究对象，针对一维线性消声器模型在高速气流影响下计算失准现象，研究一种基于一维 /三维耦合模型的数值仿真分析方法;并结合实验数据对其结果进行验证^[8]。结果表明:随着发动机转速的提高，在某一转速后，一维消声器声学预测与实验数据不符，原因是在其内部产生了一维模型无法预测的气流再生噪声;基于 Lighthill 声类比理论的三维数值仿真，可较好地模拟空间域气动噪声场;并指出目标消声器再生噪声源产生域^[8]。一维 /三维联合仿真可以实现真实情况下消声器声学性能的预测。

H.D.Yolin等人通过GT-power软件对发动机某一转速下排气系统尾管噪声进行仿真，并分析了穿孔管，插入管长度，扩张腔体积对消声器性能的影响^[9]。扩张室消声器从原理来看，它是一种抗性消声器。入射波传播到交界面时，一部分能量在交界面处被反射回进气管，实现消耗声能，达到消声的目的。扩张室消声器的消声量主要取决于扩张比的大小，扩张比用m表示。扩张室截面积S2与气流通道截面积S1的比值就是 m。同时扩张室长度L的大小也在一定程度上影响消声量。单腔扩张式消声器的消声量主要由扩张比 m决定，增大或减小扩张比，相应的消声量也增加或减少^[10]。穿孔管中的小孔结构除了具有共振吸声作用外，气流在小孔和腔体之间流动还会引起截面变化引起阻抗失配从而起到消声作用。影响穿孔管的消声性能有很多复杂因素，例如，穿孔率，孔径，管壁厚，排列形式等^[11]。可以通过改变这些结构的参数来改善消声性能，从而带到我们想要的消声效果。

1.3 软件介绍

本文中应用的软件为CATA软件和GT-suite软件，将利用CATIA软件建立消声器的三维实体模型，并通过将三维实体模型导入GEM3D中，使用GEM3D自带的离散化功能对消声器进行离散化处理，获得离散化数据并导入GT-power中耦合建立相应的模型，完成仿真分析。

1.3.1 CATIA软件介绍

CATIA是一款强大的绘图软件，可以将三维实体模型输出为二维模型，同时其建立的模型可以输出到其他分析软件中对模型进行分析。CATIA用于绘图的方式相较于其他软件，可以先进行二维草图的绘制，在建立的基准上通过平移、分割和结合等操作完成三维模型草图的绘制，然后将三维草图进行旋转等操作建立三维模型零件，最后对多个三维模型零件进行装配组成整个三维实体模型。

1.3.2 GT-power和GEM3D介绍

GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，主要用于一维发动机工作过程的仿真，其涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等六个方面，能够实现对发动机动力性能、经济性能、排放性能和噪声的预测。该软件采用一维的有限体积法进行流体的计算，计算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具；自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解；能与三维的CFD软件进行耦合计算；能进行发动机进、排气系统噪声的分析，并对进、排气系统的消声元件进行优化设计^[12]。

GT-power有一个零件模型库，模型库里包含了气缸，曲轴，各种管结构、管接头、滤清器、气门、喷油器等机械结构以及各种燃烧模型、喷射模型和气体流动模型，可根据自身需要选取所需机械结构模块及各种模型并设置相应的参数设置，最后将各个机构连接起来构成最终的模型^[4]。第一步建立模型，第二步校验所建立的模型。如果实验数据与所建模型仿真结果相差不到5%，则可以说明所建立的模型很准确。通过应用GT-Power软件库的模型进行仿真分析，可以模拟气体流动，通过计算，可以得到相关的噪声曲线，以此作为改进的基础和参考。

GEM3D也是GT-Suite系列软件中的一部分，主要功能是构建GT-Power软件计算所需要的三维实体模型，特别是针对消声器的设计与建模，提供了丰富的模型和实例，能够轻易实现消声器壳体、直通管、隔板、直通管内隔板等部件的建模，能够简单快速达到在直通管上打孔以及在隔板上穿孔的目的；同时GEM3D的另一个强大功能就是能够自动对所建立的三维实体模型进行离散化，然后导入GT-power中耦合建立相应的模型。

1.4本文主要内容

本文将通过传统消声器设计理论和数值仿真分析方法来进行摩托车消声器的设计与开发，包括消声器的三维实体建模和催化转化器安装位置的确定；基于GT-power软件的消声器声学性能的仿真分析，为其结构优化提供依据。

首先基于经典声学理论和传统消声器设计理论进行消声器的设计。通过分析目前汽车、摩托车中常用的消声器结构和类型，针对摩托车排气噪声的主要频段和阶次，选择合适的消声单元和催化器尺寸，并确定其基本尺寸和空间布置关系。

其次进行消声器三维实体模型的建立。运用CATIA软件进行摩托车排气消声器声的三维建模，根据确定的消声单元和催化器尺寸，完成消声器外壳、插入管、穿孔板、催化器的实体建模和装配，并检查其是否存在干涉。

最后，建立消声器的声学性能评价模型。将建立的消声器三维实体模型导入GT-Suite软件中的GEM3D模块中进行离散化，获得仿真分析所需要的消声器离散化数据；借助GT-power软件，建立一维的发动机工作过程模型和消声器离散模型的耦合模型，获得消声器的插入损失和压力损失等评价指标；通过建立传递损失模型，获得消声器的传递损失；基于这些参数实现对所设计消声器声学性能的评价。

本文将运用仿真分析的方法，把消声器和催化转化器设计在一起，将摩托车的噪声控制和排放控制融合在一起进行分析，对传统的消声器进行改善，使设计出的消声器更符合现阶段的产品设计要求。

第2章 摩托车消声器的初步设计

本章将对消声器的设计条件进行分析，对经典声学理论和声学评价指标进行介绍，基于经典声学理论和传统消声器设计理论进行消声器的设计。通过分析目前汽车、摩托车中常用的消声器结构和类型，针对摩托车排气噪声的主要频段和阶次，选择合适的消声单元和催化器尺寸，并确定其基本尺寸和空间布置关系。

2.1消声器设计的声学基础

在本文中涉及到的声学基础主要包括声压，声强，声功率以及管道声学。

2.1.1 声压

声压就是大气压受到声波扰动后产生的变化，即为大气压强的余压，它相当于在大气压强上的叠加一个声波扰动引起的压强变化，由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得质点速度等其它物理量，所以声学中常用这个物理量来描述声波^[13]。

2.1.2 声强

声传播时也伴随着能量的传播，用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量表示，声强的单位是瓦/平方米，声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比，声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压^[14]。声强（I）与声压（P）的关系为：

公式 (2.1)

其中ρ-介质密度，v-声速

公式 (2.2)

式中，W-声功率 U-流体的体积速度 Ra-声源的辐射电阻

2.1.3 声功率

指声源在单位时间内向外辐射的声能，声源声功率有时指的是和在某个频带的声功率，此时需要注明所指的频率范围。在噪声检测中，声功率指的是声源总声功率^[15]。单位为，W

声功率与声强的关系为 (2.3)

式中，S-声波垂直通过的面积，㎡

声功率与声压的关系为 (2.4)

式中，S-声波垂直通过的面积

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：