發(fā)動機(jī)前蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

高宏偉，張靜，張艷青

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101106)

0 前言

目前，市場對汽車發(fā)動機(jī)性能，尤其是噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)性能及耐久性能的要求不斷提高。其中，前蓋是影響整機(jī)NVH性能的關(guān)鍵因素之一。

某機(jī)型搭載的動力總成共有3個懸置安裝點(diǎn)，分別為左懸置、右懸置及后懸置，其中右懸置與發(fā)動機(jī)前蓋連接。右懸置分為主動端及被動端，發(fā)動機(jī)連接端是激勵輸入端，因此將發(fā)動機(jī)前蓋及右懸置發(fā)動機(jī)連接端支架統(tǒng)稱為右懸置主動端。

決定右懸置主動端模態(tài)的因素主要包含發(fā)動機(jī)前蓋結(jié)構(gòu)、懸置支架結(jié)構(gòu)、懸置橡膠塊及內(nèi)襯套質(zhì)量等。為了使動力總成在整車上具有較好的NVH性能，應(yīng)盡可能提高右懸置主動端模態(tài)；因此重點(diǎn)從發(fā)動機(jī)右懸置主動端模態(tài)及強(qiáng)度角度對發(fā)動機(jī)前蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

在發(fā)動機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，為了滿足NVH性能、可靠性及質(zhì)量指標(biāo)，平衡發(fā)動機(jī)前蓋模態(tài)、強(qiáng)度、質(zhì)量及美觀性要求等方面，對前蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪次迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得滿足要求的前蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行整車NVH試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)。

1 原始設(shè)計(jì)方案

1.1 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

針對發(fā)動機(jī)前蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使用有限元仿真分析方法，重點(diǎn)對右懸置主動端模態(tài)及強(qiáng)度進(jìn)行分析。發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)材料見表1。

表1 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)材料

1.2 右懸置主動端結(jié)構(gòu)

該發(fā)動機(jī)前蓋采用上、中、下結(jié)構(gòu)，其中上、下部分為塑料結(jié)構(gòu)，中間部分為鑄鋁結(jié)構(gòu)，中間部分定位為前蓋中。右懸置支架通過雙頭螺柱連接在前蓋中上，原始設(shè)計(jì)方案如圖1所示。原始設(shè)計(jì)方案發(fā)動機(jī)各零件質(zhì)量見表2。

圖1 右懸置主動端原始設(shè)計(jì)方案

表2 原始設(shè)計(jì)方案發(fā)動機(jī)各零件質(zhì)量

2 原始設(shè)計(jì)方案仿真分析

2.1 有限元模型

為更好體現(xiàn)整車搭載狀態(tài)下右懸置主動端模態(tài)水平，建立完整的發(fā)動機(jī)有限元模型，并考慮懸置橡膠塊質(zhì)量，進(jìn)行自由模態(tài)分析。有限元模型包含缸體、缸蓋、氣缸蓋罩、前蓋中、右懸置主動端支架、螺栓、螺母、機(jī)油泵殼體及油底殼，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 懸置模型簡化

為了提高有限元計(jì)算求解效率，需要對懸置模型進(jìn)行簡化。該發(fā)動機(jī)右懸置采用橡膠結(jié)構(gòu)，由于橡膠剛度較低，對模態(tài)影響較小，因此將分析模型截取至懸置支架，橡膠塊部分定義1/2質(zhì)量施加到懸置中心點(diǎn)處，并定義內(nèi)襯套質(zhì)量。橡膠塊及內(nèi)襯套質(zhì)量加載模型如圖3所示。

圖3 橡膠塊及內(nèi)襯套質(zhì)量加載模型

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

使用有限元軟件對右懸置主動端模態(tài)進(jìn)行求解。經(jīng)分析，右懸置主動端一階模態(tài)頻率為679 Hz，右懸置主動端振型主要表現(xiàn)為前蓋橫向擺動，當(dāng)前方案滿足正常指標(biāo)要求。模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 原方案模態(tài)分析結(jié)果

3 前蓋中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)右懸置主動端模態(tài)、前蓋中強(qiáng)度、質(zhì)量及美觀等綜合性能最優(yōu)化目標(biāo)，先從減重及提升右懸置主動端模態(tài)角度對前蓋中結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度對前蓋中進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 前蓋中減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1減重思路

為滿足設(shè)定的減重目標(biāo)(1 600 g)，對前蓋中進(jìn)行減重優(yōu)化，提出方案1。優(yōu)化初期以模態(tài)作為評估手段，對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)對凸臺高度進(jìn)行調(diào)整。

將個別螺栓凸臺高度由60 mm降至31 mm，在凸臺高度降低的同時，安裝螺栓的長度和質(zhì)量也隨之降低，螺栓質(zhì)量由186 g下降至150 g，如圖5所示。

圖5 方案1螺栓凸臺結(jié)構(gòu)調(diào)整

調(diào)整加強(qiáng)筋A(yù)點(diǎn)方向，將加強(qiáng)筋頂部連接至懸置雙頭螺柱安裝凸臺，由此可提高前蓋剛度。調(diào)整加強(qiáng)筋B點(diǎn)方向，使加強(qiáng)筋更接近水平方向，提高前蓋橫向剛度，從而提高前蓋模態(tài)。因加強(qiáng)筋C點(diǎn)位置無應(yīng)變能集中，將C點(diǎn)壁厚由5 mm調(diào)整為4 mm，對前蓋進(jìn)行減重。加強(qiáng)筋調(diào)整如圖6所示。

圖6 方案1加強(qiáng)筋調(diào)整

經(jīng)首輪優(yōu)化后，前蓋質(zhì)量降至1 630 g，實(shí)現(xiàn)減重116 g，效果明顯；同時，安裝螺栓凸臺高度降低后，安裝螺栓長度也隨之降低，實(shí)現(xiàn)螺栓減重36 g。

3.1.2模態(tài)分析結(jié)果

減重后，一階模態(tài)頻率為675 Hz，與原方案模態(tài)水平相當(dāng)，如圖7所示。初步認(rèn)為方案1已接近減重目標(biāo)，且該方案模態(tài)下降幅度較小。

圖7 方案1模態(tài)分析結(jié)果

3.2 前蓋中強(qiáng)度仿真分析

3.2.1有限元模型

為兼顧前蓋中強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理性，對方案1進(jìn)行前蓋中強(qiáng)度校核。前蓋中強(qiáng)度計(jì)算使用有限元仿真分析方法，該計(jì)算屬于非線性計(jì)算，為提高計(jì)算效率，對有限元模型進(jìn)行簡化。

強(qiáng)度分析模型基于模態(tài)分析模型，截取發(fā)動機(jī)其中一缸模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，仿真模型如圖8所示。

圖8 強(qiáng)度分析模型

3.2.2約束邊界

為滿足有限元求解計(jì)算需求，約束發(fā)動機(jī)剖面自由度，約束邊界如圖9所示。

圖9 強(qiáng)度分析約束邊界

3.2.3載荷及工況

仿真分析主要考慮懸置支架雙頭螺柱軸力和整車懸置載荷工況對前蓋中強(qiáng)度的影響。為考慮懸置支架雙頭螺柱對前蓋中強(qiáng)度的影響，該機(jī)型軸力沿用其他機(jī)型實(shí)測軸力[2]。該仿真分析考慮整車懸置載荷，重點(diǎn)分析典型工況及極限工況。螺栓工況設(shè)置如表3所示。整車懸置載荷如表4所示。

表3 螺栓工況設(shè)置

表4 整車懸置載荷置

3.2.4強(qiáng)度分析結(jié)果

在典型工況下對前蓋中進(jìn)行動力總成懸置系統(tǒng)GM28工況受力分析，可以得出最大米塞斯應(yīng)力為163 MPa，高于材料屈服強(qiáng)度，位于雙頭螺柱安裝凸臺附近，出現(xiàn)在LC21工況處，不滿足評價指標(biāo)，如圖10所示。

圖10 LC21工況強(qiáng)度分析結(jié)果

在極限工況下對前蓋中進(jìn)行動力總成懸置系統(tǒng)GM28工況受力分析，可以得出最大主應(yīng)力為247 MPa，出現(xiàn)在LC24工況加強(qiáng)筋附近[3]，超過材料抗拉強(qiáng)度，不滿足評價指標(biāo)，如圖11所示。

圖11 LC24工況強(qiáng)度分析結(jié)果

3.3 模態(tài)及強(qiáng)度優(yōu)化

針對方案1前蓋中強(qiáng)度不滿足要求的問題，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于局部應(yīng)力對整體剛度及局部結(jié)構(gòu)形狀都比較敏感，經(jīng)過7輪優(yōu)化后得到方案2。該方案前蓋中質(zhì)量為1 626 g，優(yōu)化后前蓋結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 方案2優(yōu)化后前蓋結(jié)構(gòu)

方案2重點(diǎn)對以下位置進(jìn)行調(diào)整：① 調(diào)整加強(qiáng)筋A(yù)點(diǎn)和B點(diǎn)方向，改善雙頭螺柱安裝凸臺壓應(yīng)力；② 調(diào)整加強(qiáng)筋C點(diǎn)方向，改善加強(qiáng)筋D點(diǎn)受力并提升模態(tài)；③ 增加加強(qiáng)筋D點(diǎn)處厚度，改善受力并提升模態(tài)；④ 增加E點(diǎn)位置凸起高度，提升前蓋中局部剛度，改善加強(qiáng)筋D點(diǎn)受力并提升模態(tài)；⑤ 增加F點(diǎn)區(qū)域雙頭螺柱安裝凸臺倒角，改善凸臺壓應(yīng)力。

3.3.1強(qiáng)度分析結(jié)果

針對方案2重新進(jìn)行前蓋中強(qiáng)度計(jì)算。在典型工況下，最大米塞斯應(yīng)力為121 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度，位于加強(qiáng)筋附近，出現(xiàn)在LC9工況，滿足評價指標(biāo)，如圖13所示。相比方案1,方案2的典型工況最大米塞斯應(yīng)力下降25%，強(qiáng)度改善效果明顯。

圖13 LC9工況強(qiáng)度分析結(jié)果

在極限工況下，最大主應(yīng)力為166 MPa，低于材料抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)在LC24工況加強(qiáng)筋附近，滿足評價指標(biāo)，如圖14所示。相比方案1,方案2的極限工況最大主應(yīng)力下降33%，強(qiáng)度改善效果明顯。

圖14 LC24工況強(qiáng)度分析結(jié)果

3.3.2模態(tài)分析結(jié)果

經(jīng)過多輪次強(qiáng)度優(yōu)化以后，前蓋中局部結(jié)構(gòu)變化較大，需要重新對右懸置主動端模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出：方案2的一階模態(tài)頻率為703 Hz，已達(dá)到指標(biāo)要求。

圖15 方案2的模態(tài)分析結(jié)果

3.4 前蓋中持續(xù)減重及美觀優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)初期制定的減重目標(biāo)，對前蓋中進(jìn)行持續(xù)減重，并同步進(jìn)行美觀性優(yōu)化，得到方案3。該方案前蓋中質(zhì)量為1 580 g，滿足初期設(shè)定的質(zhì)量目標(biāo)，減重166 g。主要降低了加強(qiáng)筋A(yù)點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)高度和降低工藝凸臺D點(diǎn)、F點(diǎn)高度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 方案3優(yōu)化結(jié)構(gòu)

經(jīng)減重及美觀優(yōu)化后，一階模態(tài)頻率為704 Hz，與方案2模態(tài)頻率水平相當(dāng)。同時，前蓋中強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

至此，前蓋中方案在滿足強(qiáng)度要求的前提下，可使右懸置主動端達(dá)到較優(yōu)模態(tài)水平。

3.5 設(shè)計(jì)迭代仿真

因發(fā)動機(jī)與整車開發(fā)階段同步進(jìn)行，懸置支架結(jié)構(gòu)、橡膠塊及內(nèi)襯套質(zhì)量也進(jìn)行了更新，仿真需要同步進(jìn)行更新計(jì)算，得到方案4。

方案3和方案4的對比見表5。迭代更新后的右懸置支架結(jié)構(gòu)如圖17所示。

表5 方案3和方案4對比

圖17 方案4的右懸置支架結(jié)構(gòu)

經(jīng)模態(tài)仿真分析，右懸置主動端一階模態(tài)頻率為676 Hz，與優(yōu)化指標(biāo)相比，模態(tài)水平仍處于較優(yōu)水平，分析結(jié)果如圖18所示。

圖18 方案4一階模態(tài)分析結(jié)果

經(jīng)強(qiáng)度仿真分析，相比方案2，方案4各工況下前蓋中應(yīng)力未發(fā)生變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)

最終設(shè)計(jì)方案(方案4)的右懸置主動端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果見表6。

表6 右懸置主動端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

由表6可以看出：經(jīng)過10輪次模態(tài)及強(qiáng)度迭代仿真，質(zhì)量及應(yīng)力改善效果明顯，前蓋中質(zhì)量下降9.5%，最大米塞斯應(yīng)力下降25%，最大主應(yīng)力下降33%；模態(tài)基本維持原方案水平。經(jīng)過評測，考慮模態(tài)、強(qiáng)度、質(zhì)量及美觀等各因素之間平衡，認(rèn)可方案4為最終設(shè)計(jì)方案，并按此方案進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

從整車實(shí)測右懸置主動端振動情況看，右懸置支架模態(tài)約700 Hz，與仿真差異較小，達(dá)到較優(yōu)模態(tài)指標(biāo)要求。通過振動加速度數(shù)值大小來判斷，振動加速度位于合理區(qū)間，未出現(xiàn)共振情況，認(rèn)為該方案滿足NVH性能要求。整車右懸置主動端振動測試結(jié)果如圖19所示。

圖19 整車右懸置主動端振動測試結(jié)果

經(jīng)過整車耐久驗(yàn)證后，右懸置支架及前蓋中均未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問題，認(rèn)為該方案滿足可靠性要求。

5 結(jié)語

對該機(jī)型的前蓋中進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化，重點(diǎn)考慮模態(tài)及強(qiáng)度，通過仿真分析得到最終設(shè)計(jì)方案。與原方案相比，最終設(shè)計(jì)方案在質(zhì)量及應(yīng)力方面改善效果明顯，經(jīng)后續(xù)臺架及整車試驗(yàn)驗(yàn)證該最終設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行量產(chǎn)。