某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體模態(tài)分析

朱宇龍，王淑芬，李玉光

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116622）

隨著科技的飛躍，機(jī)械工業(yè)得到高速發(fā)展，中國汽車產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入穩(wěn)健增長(zhǎng)期，車型品質(zhì)的提升已取代產(chǎn)能的增長(zhǎng)成為發(fā)展的主流，這對(duì)汽車的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Nooise，Vibration＆Harshness，即NVH）提出日益苛刻的要求，使得汽車NVH性能越來越受到重視，成為衡量汽車品質(zhì)最重要的指標(biāo)之一[1]。

而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最主要的振動(dòng)噪聲源之一，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部振源（燃燒激勵(lì)、機(jī)械激勵(lì)）激勵(lì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)并向外輻射噪聲，而對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析不僅是初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，也是后期進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲分析的基礎(chǔ)。通過模態(tài)分析，可事先預(yù)知結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，可分析得出結(jié)構(gòu)哪些地方剛度較低需要改進(jìn)，為后續(xù)頻率響應(yīng)的計(jì)算提供基礎(chǔ)條件[2]。

以往的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常常采用實(shí)驗(yàn)的方法來獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，但是實(shí)驗(yàn)成本較高，周期也長(zhǎng)，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段無法進(jìn)行。因此，現(xiàn)在一般在設(shè)計(jì)初期采用仿真軟件來代替實(shí)驗(yàn)，不僅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)經(jīng)費(fèi)，而且在設(shè)計(jì)階段能對(duì)產(chǎn)品有一定的預(yù)估，保證產(chǎn)品質(zhì)量。本文采用有限元方法，利用Workbench建立某車型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)有限元建模

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體三維模型建立

建立發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體三維模型是進(jìn)行分析的基礎(chǔ)，同時(shí)，為提高之后有限元建模計(jì)算效率，需要對(duì)三維模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體主要由缸蓋、缸體、氣缸蓋罩、油底殼組成，根據(jù)其實(shí)際裝配，在Catia中建立了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體裝配模型，并對(duì)其中的油孔、水道以及較小的倒角、圓角進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。建立的三維裝配體模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體三維模型

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模型建立

將建立好的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體三維裝配體模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行有限元模型的建立。

首先設(shè)置各部分的材料參數(shù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸體、氣缸蓋罩、油底殼分別承擔(dān)不同的作用、有不同的工作環(huán)境，因此材料是不同的。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體各部分材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分?，F(xiàn)今很多研究人員在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分時(shí)經(jīng)常采用網(wǎng)格智能劃分（Smart Size）來進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，但它劃分出來的網(wǎng)格很不均勻，產(chǎn)生大小不一的單元。而機(jī)體的模態(tài)分析主要是想得到機(jī)體各部分的振型，這就要求網(wǎng)格劃分要均勻[3]。因此采用自由網(wǎng)格劃分，十分快捷。單元尺寸設(shè)置為10 mm，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模型如圖2所示。建立的有限元模型有557631個(gè)單元，979585個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模型

2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析概述

結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性與材料特性所決定的，與外載荷等條件無關(guān)。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是求解具有有限個(gè)自由度的無阻尼及無外載荷狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)方程的模態(tài)矢量。將物理模型轉(zhuǎn)化為模態(tài)模型，即用已知結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料參數(shù)和邊界條件，將結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布分別通過質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣表示出來，從而得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[4]。系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)方程為：

式(1)中，[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣，[C]是阻尼矩陣，{x}為位移矢量，{x'}為速度矢量，{x''}為加速度矢量。

由以上兩方程求解發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的模態(tài)振型和固有頻率。

2.2 機(jī)體模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率振型。但理論與實(shí)踐均指出，當(dāng)結(jié)構(gòu)體在動(dòng)載荷激勵(lì)下產(chǎn)生共振時(shí)，一般只是低階共振情況比較危險(xiǎn)[3]。因此在模態(tài)分析時(shí)，一般不需要求出結(jié)構(gòu)所有模態(tài)的振型和固有頻率，主要關(guān)注前幾階模態(tài)振型和固有頻率。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行自由模態(tài)分析，除去前六階剛體模態(tài)，提取之后的八階模態(tài)進(jìn)行分析。計(jì)算的固有頻率值如表2所示，八階模態(tài)振型如圖3所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的前八階固有頻率值

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體前八階模態(tài)振型

2.3 結(jié)果分析

從模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的模態(tài)振型主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。其中，1階、2階和3階振型主要為彎曲變形，形變量較小，最大相對(duì)變形主要集中在油底殼右下端部分。4階振型缸體、氣缸蓋罩和油底殼出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，主要是機(jī)體整體的扭振，其中最大相對(duì)變形主要位于氣缸蓋罩部分。5階振型為缸蓋、缸體和油底殼的彎曲變形，最大相對(duì)變形部位是油底殼的彎曲變形。6階振型為油底殼和缸體的少量的彎曲變形，其他部位沒有明顯變形。7階振興主要為缸蓋、缸體及油底殼的彎曲變形和輕微的扭轉(zhuǎn)變形，最大相對(duì)變形部位為缸體外側(cè)的法蘭盤部位。8階振型為油底殼的彎曲變形，其他部位無明顯變形。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體形變較大的部位主要集中于上部和底部，即氣缸蓋罩和油底殼。主要是因?yàn)橛偷讱な潜”诮Y(jié)構(gòu)，剛度較小，可以通過加厚壁、加加強(qiáng)筋、涂抹大阻尼材料等方法提高其局部剛度。該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為6000 rpm，對(duì)應(yīng)的四個(gè)缸燃燒振動(dòng)頻率為200 Hz，遠(yuǎn)小于一階模態(tài)的固有頻率699.65，因此不會(huì)激發(fā)共振。

3 結(jié)語

本文利用Catia和Ansys Workbench對(duì)某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，求出了其模態(tài)振型和固有頻率值。并對(duì)模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)振型進(jìn)行了描述，分析了主要形變部位，并預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，分析得出油底殼和氣缸蓋罩剛度較低，可能是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下受激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲較大的部位，同時(shí)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)以及振動(dòng)噪聲響應(yīng)分析提供基礎(chǔ)條件。