基于Abaqus的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化

摘要： 為提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼動(dòng)剛度，減少其振動(dòng)噪聲，對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化.利用SolidWorks設(shè)計(jì)某型號(hào)油底殼初始模型，采用Abaqus分析其模態(tài)和頻率響應(yīng)，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原始模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化后的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能顯著提升.

關(guān)鍵詞： 汽車； 發(fā)動(dòng)機(jī)； 油底殼； 剛度； 噪聲； 模態(tài)； 頻率響應(yīng)； 優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TB123；TK411.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To improve the dynamic stiffness of an automobile engine oil pan and reduce its vibration and noise， its dynamic performance is optimized. An original oil pan model is designed by SolidWorks， the modal analysis and frequency response are analyzed by Abaqus， and the original model is analyzed and redesigned. The dynamic performance of the optimized automobile engine oil pan is enhanced significantly.

Key words： automobile； engine； oil pan； stiffness； noise； modality； frequency response； optimization

0引言

隨著人類生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為眾多家庭必備的出行工具.人們對(duì)汽車舒適性的要求越來(lái)越高，提高汽車舒適性能是汽車企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力所要考慮的一個(gè)重要方面.汽車振動(dòng)噪聲嚴(yán)重影響乘員的舒適性.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車等機(jī)動(dòng)車主要噪聲來(lái)源，其薄壁構(gòu)件之間相互振動(dòng)和碰撞產(chǎn)生的輻射噪聲占發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的15%～20%，特別是油底殼與機(jī)體之間振動(dòng)傳遞尤為顯著.[1-3]研究發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，對(duì)于提高油底殼動(dòng)剛度，減少振動(dòng)輻射噪聲，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.[4-5]

本文利用Abaqus對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼進(jìn)行模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析，找到原始設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度較小的部位，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性.

1動(dòng)力學(xué)分析相關(guān)理論

1.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析可以分為解析模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析.用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣分別表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布，最終求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)稱為解析模態(tài)分析.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是利用實(shí)驗(yàn)儀器得到頻響函數(shù)或者是脈沖傳遞函數(shù)，然后運(yùn)用參數(shù)識(shí)別方法求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù).[6]本文利用解析模態(tài)分析方法來(lái)進(jìn)行研究.

模態(tài)分析理論基本假設(shè)為線性假設(shè)、時(shí)不變假設(shè)和可觀測(cè)性假設(shè).根據(jù)這3種基本假設(shè)可知：模態(tài)分析實(shí)際上是將微分方程組中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)，解耦方程組，并使其變成僅以模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)參數(shù)描述的方程，坐標(biāo)變換的變換矩陣為振型矩陣，其每列即為各階振型.由于模態(tài)變換屬于線性變換，所以可以由各階模態(tài)的疊加得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)的大小取決于各階模態(tài)的參與系數(shù).通常，低階模態(tài)的參與系數(shù)要高于高階模態(tài)的參與系數(shù)，所以通常取前幾階模態(tài)疊加就可以得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng).[7-8]

考慮Mx¨+Kx=0（1）假設(shè)其解為x=eiωt（2）代入特征方程K-ω2M=0（3）或Δ（K-λM）=0（4）式中：λ=ω2

對(duì)于N自由度系統(tǒng)，有N個(gè)固有頻率；與固有頻率對(duì)應(yīng)的特征向量稱為模態(tài)振型；當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，在任意時(shí)刻，結(jié)構(gòu)的形狀為它的模態(tài)的線性組合.

1.2頻率響應(yīng)分析理論基礎(chǔ)

頻率響應(yīng)分析是計(jì)算在穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的方法.在頻率響應(yīng)分析中，激勵(lì)載荷是在頻域中明確定義的，所有外力在每一個(gè)指定頻率上是已知的.力的形式可以是外力，也可以是強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度等）.計(jì)算結(jié)果通常包括節(jié)點(diǎn)位移、加速度、單元力和應(yīng)力等.

頻率響應(yīng)分析有兩類不同的數(shù)值方法可以選擇：直接法和模態(tài)法.直接法按照給定的頻率直接求解耦合的運(yùn)動(dòng)方程；而模態(tài)法利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型來(lái)對(duì)耦合的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行縮減和解耦，同時(shí)由單個(gè)模態(tài)響應(yīng)的疊加得到某一給定頻率下的響應(yīng)結(jié)果.

頻率響應(yīng)分析需要考慮以下幾點(diǎn)[9]：

（1）如果激勵(lì)的最高頻率比系統(tǒng)的最低諧振頻率小得多，那么做靜力分析就足夠了.

（2）阻尼很小的結(jié)構(gòu)在激勵(lì)頻率接近于諧振頻率時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出很大的動(dòng)力響應(yīng).在這樣的響應(yīng)問(wèn)題中，模型上一個(gè)小的改動(dòng)就可能產(chǎn)生響應(yīng)上明顯的變化.

（3）如果希望對(duì)峰值響應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)測(cè)，必須使用足夠小的頻率步長(zhǎng).對(duì)每個(gè)半功率帶寬，至少需要使用5個(gè)點(diǎn).

（4）為了得到最大的效率，應(yīng)使用非均勻頻率步長(zhǎng).在諧振頻率區(qū)域使用較小的頻率步長(zhǎng)，在離開諧振頻率的區(qū)域使用較大的頻率步長(zhǎng).

2原始模型及其動(dòng)力學(xué)分析

有限元模型是有限元分析中的基礎(chǔ)，反映幾何模型在實(shí)際工作過(guò)程中的受力情況和結(jié)構(gòu)的力學(xué)關(guān)系，包括材料屬性、外部載荷和約束等信息.油底殼有限元模型見圖1.

有限元模型建立過(guò)程如下：

（1）所研究的油底殼是通過(guò)沖壓工藝而成型的，結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，厚度為1.6 mm，在SolidWorks中建立油底殼幾何模型，將三維幾何模型導(dǎo)入Abaqus中，由于結(jié)構(gòu)具有薄壁特征，采用殼單元進(jìn)行分析精度很高，故需要提取結(jié)構(gòu)中面，為有限元模型網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備.

（2）在油底殼實(shí)際工作過(guò)程中，法蘭和機(jī)體下表面通過(guò)螺栓連接在一起，故對(duì)螺栓連接處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束.

（3）油底殼材料為寶鋼DC06鋼材，彈性模量為2.06E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9 t/mm.

（4）由于模型特征較多，故采用Abaqus/Standard求解器中的S4R和S3兩種單元混合建模，其中S3起網(wǎng)格過(guò)渡作用.

2.1原始模型的模態(tài)分析

采用Abaqus/Standard求解器的Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)求解，提取結(jié)構(gòu)的前100階頻率.該方法對(duì)模型規(guī)模較大，所提取振型較多時(shí)，求解速度更快.

使用振型疊加法分析線性動(dòng)態(tài)問(wèn)題時(shí)，要保證頻率提取分析步中提取足夠數(shù)量的模態(tài)，以保證求解精度，判斷標(biāo)準(zhǔn)為在主要運(yùn)動(dòng)方向上的總有效質(zhì)量要超過(guò)模型中可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的90%.[10]模型總質(zhì)量為2.199 801E-3 t，由于受約束節(jié)點(diǎn)比例很小，可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量近似等于模型總質(zhì)量，z方向?yàn)橹饕\(yùn)動(dòng)方向，有效質(zhì)量為2.071 480E-3 t，占可運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的比例為94%.因此，提取100階振型是足夠的.原始模型前6階固有頻率見表1；原始模型的前6階模態(tài)振型見圖2.由圖2可知前6階振動(dòng)主要在油底殼底部大平面區(qū)域.在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該對(duì)底部區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理，提高結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能.

2.2原始模型的頻率響應(yīng)分析

模態(tài)分析得到油底殼固有頻率和振型，但是要進(jìn)一步了解其動(dòng)力學(xué)特性，需要進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng).

實(shí)際工作中油底殼受到的激勵(lì)是通過(guò)機(jī)體傳遞過(guò)來(lái)的，并且油底殼的剛度小于機(jī)體裙部，因此可以把油底殼和機(jī)體看成是非耦合系統(tǒng)[1-3].油底殼僅接受和機(jī)體連接的振動(dòng)激勵(lì)，因此可以在螺栓孔位置施加激勵(lì)載荷.本文采用油底殼和機(jī)體連接處螺栓的多點(diǎn)垂向（z向）單位位移（1 mm）的激勵(lì)來(lái)替代實(shí)際的激勵(lì)，頻率響應(yīng)分析的頻域范圍為0～1 500 Hz，結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子取0.06.以模態(tài)分析為參考，選取2個(gè)具有代表意義的點(diǎn)作為參考點(diǎn).參考點(diǎn)位置見圖3；兩個(gè)觀察點(diǎn)z方向位移響應(yīng)見圖4.結(jié)果表明：觀察點(diǎn)1在289 Hz和852 Hz附近位移響應(yīng)達(dá)到峰值，分別由第1階和第6階模態(tài)振型引起.觀察點(diǎn)2在410 Hz和467 Hz附近位移響應(yīng)達(dá)到峰值，由第2階模態(tài)振型引起.

3優(yōu)化后的模型及對(duì)比分析

由于該結(jié)構(gòu)底部為大平面結(jié)構(gòu)，通過(guò)以上分析了解到，結(jié)構(gòu)的前幾階振動(dòng)主要集中在底部，為增加底部剛度，在底部大平面加5根縱向加強(qiáng)筋，底部小平面加2根縱向加強(qiáng)筋和2個(gè)橫向小凸臺(tái).以改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能.優(yōu)化后的油底殼模型見圖5.

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比原始模型固有頻率，見圖6.前6階固有頻率分別提升55.610%，41.750%，18.053%，63.857%，27.865%和16.524%，說(shuō)明加強(qiáng)筋對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度提升很大.

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，對(duì)比原始模型的z方向位移響應(yīng)，見圖7.

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在兩個(gè)觀察點(diǎn)峰值響應(yīng)出現(xiàn)時(shí)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明底部動(dòng)剛度改善很大，與模態(tài)分析結(jié)論一致.

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，從動(dòng)力學(xué)角度分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度，找到結(jié)構(gòu)較薄弱部位，對(duì)底部平面區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加7根加強(qiáng)筋和2個(gè)小凸臺(tái).優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度改善很大，固有頻率提升顯著.在發(fā)動(dòng)機(jī)不同頻率的激勵(lì)下，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值相比原始結(jié)構(gòu)在更高的頻率點(diǎn)出現(xiàn).該方法對(duì)油底殼的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)：

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