基于模態(tài)分析的發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)預(yù)測(cè)分析

梁永勤 張軍

摘要：以某發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成為對(duì)象，采用多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法，通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)得振動(dòng)響應(yīng)，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)參數(shù)及振型。同時(shí)采用有限元-多體動(dòng)力學(xué)-邊界元相結(jié)合的方法，對(duì)其聲場(chǎng)和表面振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：該發(fā)動(dòng)機(jī)前四階模態(tài)主要以彎曲和繞X軸一階扭轉(zhuǎn)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲能量及表面振動(dòng)主要集中在進(jìn)、排氣側(cè)，頻帶為450～650Hz。研究結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

Abstract： Taking a certain engine powertrain as the object， using the multi-reference point least squares complex frequency domain method， the vibration response is measured through modal tests to obtain engine modal parameters and vibration shapes. At the same time， the combination of finite element-multibody dynamics-boundary element method is used to predict the sound field and surface vibration velocity. The results show that the first four modes of the engine are mainly bending and first-order torsion around the X axis， and the engine radiated noise energy and surface vibration are mainly concentrated on the intake and exhaust sides， with a frequency band of 450 Hz to 650 Hz. The research results provide a basis for the improvement of engine design and have strong practical value for engine design.

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成;模態(tài)分析;輻射噪聲;振動(dòng)預(yù)測(cè)

Key words：powertrain;modal analysis;radiation noise;vibration prediction

中圖分類號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0070-03

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成是汽車的主要噪聲振動(dòng)來(lái)源之一，其特性將直接影響汽車的NVH（noise，vibration and harshness），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需確定準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)，為后續(xù)有限元-多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真確定準(zhǔn)確有效的仿真模型。張武等對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)進(jìn)行了研究[1]，指出多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法對(duì)密集模態(tài)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別精度較高。張?jiān)苽b在對(duì)3100QB柴油機(jī)體模態(tài)分析中指出，模態(tài)分析是下一步的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的基礎(chǔ)工作，意義重大[2]。Ugur Olmez對(duì)某柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析和噪聲預(yù)測(cè)，獲得了發(fā)電機(jī)組的高頻噪聲頻率范圍。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其主要零部件進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)定一定的目標(biāo)值[4-6]，在設(shè)計(jì)階段就能夠從減振降噪的出發(fā)點(diǎn)改善發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，取得較好的結(jié)果。

因此，本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立起動(dòng)力總成多參數(shù)點(diǎn)模態(tài)分析模型，分析其模態(tài)振型及模態(tài)參數(shù)，同時(shí)運(yùn)用有限元模型、多體動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合[7-8]，使用邊界元法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻率及表面振動(dòng)進(jìn)行了分析，為下一步的發(fā)動(dòng)機(jī)減振降噪優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型的建立及驗(yàn)證

1.1 有限元模型的建立

本文研究的為某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型如圖1所示。將整機(jī)分為九個(gè)總成：曲軸系總成，缸體總成，缸蓋總成，缸蓋罩，正時(shí)蓋，油底殼，變速箱，進(jìn)、排氣系統(tǒng)等。

發(fā)動(dòng)機(jī)主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型劃分網(wǎng)格采用二階四面體單元，單元大小平均為6～8mm。主軸頸上設(shè)定5個(gè)主自由度節(jié)點(diǎn)，均勻分布于軸瓦寬度內(nèi);曲柄銷上設(shè)定一個(gè)主自由度節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分完后，缸體有單元373967個(gè)，節(jié)點(diǎn)653759個(gè)，曲軸總成有單元100082個(gè)，節(jié)點(diǎn)175363個(gè)。發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)有單元1281984個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)2305926個(gè)。

1.2 模態(tài)分析

將發(fā)動(dòng)機(jī)賦予材料屬性并采用LANCZOS方法對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)求解，提取0～1200Hz范圍內(nèi)固有頻率。為檢驗(yàn)有限元魔性的準(zhǔn)確性和計(jì)算模態(tài)的有效性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總成進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

動(dòng)力總成采用懸吊裝置并在軟件中設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)基本反映了動(dòng)力總成的輪廓特征并將測(cè)點(diǎn)按照實(shí)際位置建立連接，動(dòng)力總成試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和分析模型如圖2所示。

試驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)結(jié)果如表2所示。

對(duì)比試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果，可見(jiàn)動(dòng)力總成與模態(tài)誤差在8%以內(nèi)，說(shuō)明建立的發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型能夠表現(xiàn)動(dòng)力總成的動(dòng)態(tài)特性，模型可以用于下一步的分析。

2? 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立和求解

以發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)為輸入，在EXCITE中建立發(fā)動(dòng)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示，模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、曲軸總成及部件間相互約束等關(guān)鍵因素。

采用多體動(dòng)力學(xué)與有限元方法相結(jié)合的方法，求解機(jī)體表面振動(dòng)速度，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)模型表面振動(dòng)速度可以反映不同頻率下動(dòng)力總成振動(dòng)較大的位置，在630Hz時(shí)動(dòng)力總成表面振動(dòng)速度如圖4所示。

由圖4可知，振動(dòng)速度最大的位置主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣兩側(cè)。

3? 發(fā)動(dòng)機(jī)聲場(chǎng)及表面振動(dòng)分析

為計(jì)算動(dòng)力總成的輻射噪聲，通過(guò)EXCITE得到表面振動(dòng)速度后，將震動(dòng)結(jié)果作為聲學(xué)計(jì)算的聲源，建立場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格作為聲學(xué)接收端，各個(gè)方向距發(fā)動(dòng)機(jī)表面50cm，同時(shí)在距機(jī)體表面1m處分別在正時(shí)罩、變速箱、油底殼、缸蓋罩、進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)放置麥克風(fēng)，分布如圖5所示。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)各麥克風(fēng)進(jìn)行分析，提取出聲壓級(jí)最大峰值點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)頻率和聲壓級(jí)如表3所示。

由表3可知，最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)最大聲壓級(jí)低于90dBA，其最大聲壓級(jí)頻率主要為450Hz和693Hz。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)在聲壓級(jí)峰值處的頻率段，計(jì)算相近頻率處整機(jī)表面振動(dòng)速度級(jí)，如圖6所示。從圖6中可以看出，頻帶范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、排氣及油底殼前端面振動(dòng)速度最大，因此通過(guò)對(duì)進(jìn)排氣及油底殼的優(yōu)化可以有效降低在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)的振動(dòng)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

4? 結(jié)論

①本文利用有限元軟件建立了某四缸發(fā)動(dòng)三維模型，并實(shí)際通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析模型的合理性。同時(shí)以多體動(dòng)力學(xué)仿真模型與有限元模型相結(jié)合，計(jì)算得到了發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)在聲壓級(jí)最大對(duì)應(yīng)相近頻率處的整機(jī)表面振動(dòng)級(jí)。

②本文的分析方法，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段就先期參與，為后期方案改進(jìn)提供參考依據(jù)，從而加快開(kāi)發(fā)速度，縮短設(shè)計(jì)周期，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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