基于模態分析的發動機表面振動預測分析

梁永勤 張軍

摘要：以某發動機動力總成為對象，采用多參考點最小二乘復頻域法，通過模態試驗測得振動響應，以獲得發動機模態參數及振型。同時采用有限元-多體動力學-邊界元相結合的方法，對其聲場和表面振動速度進行預測。結果表明：該發動機前四階模態主要以彎曲和繞X軸一階扭轉為主，發動機輻射噪聲能量及表面振動主要集中在進、排氣側，頻帶為450～650Hz。研究結果為發動機設計改進提供依據，對發動機設計具有較強的實用價值。

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.

關鍵詞：動力總成;模態分析;輻射噪聲;振動預測

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

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0070-03

0? 引言

發動機動力總成是汽車的主要噪聲振動來源之一，其特性將直接影響汽車的NVH（noise，vibration and harshness），對發動機動力總成的設計和優化需確定準確的模態參數，為后續有限元-多體動力學聯合仿真確定準確有效的仿真模型。張武等對動力總成懸置系統運行模態進行了研究[1]，指出多參考點最小二乘復頻域法對密集模態系統參數識別精度較高。張云俠在對3100QB柴油機體模態分析中指出，模態分析是下一步的發動機設計及優化的基礎工作，意義重大[2]。Ugur Olmez對某柴油發電機進行了模態分析和噪聲預測，獲得了發電機組的高頻噪聲頻率范圍。對發動機及其主要零部件進行模態分析，設定一定的目標值[4-6]，在設計階段就能夠從減振降噪的出發點改善發動機結構，縮短設計開發周期，取得較好的結果。

因此，本文以某發動機為研究對象，建立起動力總成多參數點模態分析模型，分析其模態振型及模態參數，同時運用有限元模型、多體動力學模型相結合[7-8]，使用邊界元法對發動機噪聲頻率及表面振動進行了分析，為下一步的發動機減振降噪優化提供指導。

1? 發動機有限元模型的建立及驗證

1.1 有限元模型的建立

本文研究的為某四缸發動機，發動機三維模型如圖1所示。將整機分為九個總成：曲軸系總成，缸體總成，缸蓋總成，缸蓋罩，正時蓋，油底殼，變速箱，進、排氣系統等。

發動機主要的技術參數如表1所示。

本文對發動機三維模型劃分網格采用二階四面體單元，單元大小平均為6～8mm。主軸頸上設定5個主自由度節點，均勻分布于軸瓦寬度內;曲柄銷上設定一個主自由度節點。網格劃分完后，缸體有單元373967個，節點653759個，曲軸總成有單元100082個，節點175363個。發動機總計有單元1281984個，節點數2305926個。

1.2 模態分析

將發動機賦予材料屬性并采用LANCZOS方法對模型進行模態求解，提取0～1200Hz范圍內固有頻率。為檢驗有限元魔性的準確性和計算模態的有效性，對發動機總成進行了試驗模態分析。

動力總成采用懸吊裝置并在軟件中設置多個測點，測點基本反映了動力總成的輪廓特征并將測點按照實際位置建立連接，動力總成試驗現場和分析模型如圖2所示。

試驗模態和計算模態結果如表2所示。

對比試驗模態與計算模態分析結果，可見動力總成與模態誤差在8%以內，說明建立的發動機有限元模型能夠表現動力總成的動態特性，模型可以用于下一步的分析。

2? 多體動力學模型的建立和求解

以發動機激勵為輸入，在EXCITE中建立發動機多體動力學模型，如圖3所示，模型包括發動機機體、曲軸總成及部件間相互約束等關鍵因素。

采用多體動力學與有限元方法相結合的方法，求解機體表面振動速度，通過發動機模型表面振動速度可以反映不同頻率下動力總成振動較大的位置，在630Hz時動力總成表面振動速度如圖4所示。

由圖4可知，振動速度最大的位置主要分布在發動機進、排氣兩側。

3? 發動機聲場及表面振動分析

為計算動力總成的輻射噪聲，通過EXCITE得到表面振動速度后，將震動結果作為聲學計算的聲源，建立場點網格作為聲學接收端，各個方向距發動機表面50cm，同時在距機體表面1m處分別在正時罩、變速箱、油底殼、缸蓋罩、進氣側和排氣側放置麥克風，分布如圖5所示。

對發動機在最大扭矩點和額定功率點各麥克風進行分析，提取出聲壓級最大峰值點，其對應頻率和聲壓級如表3所示。

由表3可知，最大扭矩點和額定功率點最大聲壓級低于90dBA，其最大聲壓級頻率主要為450Hz和693Hz。

針對發動機在最大扭矩點和額定功率點在聲壓級峰值處的頻率段，計算相近頻率處整機表面振動速度級，如圖6所示。從圖6中可以看出，頻帶范圍內發動機進氣、排氣及油底殼前端面振動速度最大，因此通過對進排氣及油底殼的優化可以有效降低在最大扭矩點和額定功率點的振動，減小發動機噪聲。

4? 結論

①本文利用有限元軟件建立了某四缸發動三維模型，并實際通過模態試驗驗證了分析模型的合理性。同時以多體動力學仿真模型與有限元模型相結合，計算得到了發動機在最大扭矩點和額定功率點在聲壓級最大對應相近頻率處的整機表面振動級。

②本文的分析方法，可以在發動機設計階段就先期參與，為后期方案改進提供參考依據，從而加快開發速度，縮短設計周期，具有較強的工程應用價值。

參考文獻：

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[4]Van d V W C P，? Prbsting S，? Van Zuijlen A H， et al. Numerical and experimental investigation of a beveled trailing-edge flow field and noise emission[J]. Journal of Sound & Vibration， 2016： 113-129.

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