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基于多体动力学对发动机结构振动进行评判和结

作者:pokerking官网 发布时间:2020-09-16 10:30 点击数:

  完善的项目前期工作预示着更少的项目后期风险,这也是CAE工作的重要意义之一。在整机开发的前期(概念设计和布置设计阶段),由于没有成熟样机进行NVH试验,很难通过试验的方法预测产品的NVH水平。因此,通过仿真的方法对整机NVH性能进行分析甚至优化显得十分重要。

  众所周知,发动机NVH是个复杂的概念,包括发动机的振动、噪声以及个体对振动和噪声的主观评价等。客观地说,噪声与振动也相互联系,因为发动机一部分噪声由结构表面振动直接辐射,另一部分由发动机燃烧和进排气通过空气传播。除此之外,发动机附件(如风扇)也存在噪声贡献。本文仅考虑发动机结构振动问题,即在主轴承载荷、燃烧爆发压力和运动件惯性力的作用下,对发动机结构振动进行分析以及与试验的对比。发动机结构噪声的激励源主要包括燃烧爆发压力、气门冲击、活塞敲击、主轴承冲击、前端齿轮/链驱动和变速器激励等,这些结构振动又通过缸盖罩、缸盖、缸体和油底壳等传出噪声。

  建立完整的短发动机和变速器装配的有限元模型;对该有限元模型进行模态分析,通过分析结果判断各零件间连接是否完好;通过分析结果判断动力总成整体模态所在频率范围是否合理,零部件的局部模态频率是否合理,若存在整体或局部模态不合理的情况,需要对结构进行初步更改或优化。

  缩减有限元模型,得到动力总成的刚度、质量、几何以及自由度信息,用于多体动力学分析。

  发动机中的部分动件不用进行有限元建模,可作简化处理,形成梁-质量点模型,用于多体动力学分析。其中包括:活塞组、连杆组和曲轴及其前后端。

  在定义了动力总成各零部件间连接并且已知各种载荷的情况下,对动力总成进行时域下的多体动力学分析,并对得到的发动机时域和频域下的动态特性进行评判,同时,其输出用于结构振动分析。

  基于多体动力学分析结果,对整个动力总成有限元模型进行强迫振动分析,得到发动机本体、变速器以及各种外围件的表面振动特性,进行评判和结构优化。

  以一款成熟的直列四缸1.5L发动机为平台,针对其结构振动问题,对其进行结构振动CAE分析,并与其台架试验结果相比较。发动机的部分参数如下:缸径75mm,冲程85mm,缸间距84mm,最大缸压6MPa。

  整个动力总成包括42万节点和54万单元。其中,缸体、缸盖和缸盖罩为六面体单元;油底壳、进排气歧管为四边形壳单元;变速器及支架为二阶四面体单元;其他外围零件则简化为质量点,并通过梁单元与机体相连。图3为其有限元模型,模态分析结果和试验结果如表所示。

  通过上表可以看出,CAE分析和模态试验得到的动力总成主要模态结果比较接近,在允许的误差以内。所以,此模型具有可信性,可以用于强迫响应计算。当然,从分析和试验的结果也可以看出,本款发动机的整体弯曲模态偏低,有必要进行结构优化。

  在半消声室中进行整机振动测试(见图4),其中,对多处重要的发动机及其外围部件表面位置安装了传感器。本实例选择了3处传感器位置进行分析,包括变速器支架端(三向传感器)、差速器底部(三向传感器)以及缸体群部中部(单向传感器)。传感器输出为速度信号。试验中测试了发动机在2 000r/min、4500r/min和5 500r/min共3个转速下的振动特性,其中,每个转速下分别对空载、半载和满载进行了测试。

  通过EXCITEPower Unit建立的动力学模型主要包括发动机零部件、零部件间连接和加载载荷信息。动力学模型为非线性系统,其中包括所有的线性零部件和部分非线性的零部件连接。

  由于客观条件的限制,加载载荷只考虑了燃烧压力、主轴承载荷,而配气机构载荷、变速器载荷和活塞敲击没有考虑在内。另外,分析得到的结果为动力总成的表面速度,用于与试验结果进行对比。主轴承载荷和气缸爆发压力见图5、图6。

  从结果可以看出,X方向上:计算与试验结果都在4 000r/min以上出现宽频带的响应;500Hz以下的频率范围中,计算与试验同时反映出3.5和5.5谐次的振动响应,幅值接近105dB;250~500Hz范围内,计算和试验的幅值状态也一致;高速下,高频带700~800Hz反映出另一共振区域,但频率稍有差异。

  Y 方向上:计算与试验结果都明确反映了2.5谐次的振动响应;4 500r/mim以上,计算与试验结果都明确反映出200~700Hz的宽频带响应,幅值大小也基本一致。

  Z方向上:计算与试验结果都明确反映了2谐次和3.5谐次的振动响应;计算与试验结果都明确反映出,Z向振动以300以下的谐频响应为主,在220Hz附近受动力总成弯曲模态的影响,但无明显的共振现象发生。

  类似于变速器支架端振动结果的比较,进行差速器底部仿真和试验结果的比较,得到以下结论:各个转速下,除低频外,两者在整个分析频域下都比较接近;低频处的不协调可能是由于悬置橡胶参数的不准确造成的,需要对橡胶参数进行进一步测试。

  类似于变速器支架端振动结果的比较,进行缸体群部中部仿真和试验结果的比较可以看出:大部分分析频率范围内,试验和仿真结果比较接近。

  基于有限元及系统动力学耦合方法进行发动机振动分析,在一定程度上能够有效地、准确地预测发动机(包括变速器)本身的振动特性。在没有试验样机的情况下,能够使用该方法结合AVL-EXCITE和相应的有限元分析软件,对发动机的振动特性进行正确地预测和合理的优化工作。该方法可用于整机振级的判定、悬置位置选择及特性校验、振源及传递特性分析等。

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