油底殼流固耦合動力學特性分析

陳冬冬，王 輝，楊景玲，李 良，宋兆哲

（1.長城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北 保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定071000）

油底殼流固耦合動力學特性分析

陳冬冬1,2，王 輝1,2，楊景玲1,2，李 良1,2，宋兆哲1,2

（1.長城汽車股份有限公司 技術(shù)中心，河北 保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定071000）

闡述了油底殼、油液耦合系統(tǒng)模態(tài)分析建模方法，對油底殼的結(jié)構(gòu)模態(tài)和耦合模態(tài)進行了計算，并通過模態(tài)試驗對模態(tài)結(jié)果進行了驗證。測試結(jié)果表明，無論是結(jié)構(gòu)模態(tài)還是耦合模態(tài)，其測試結(jié)果與計算結(jié)果都具有很好的一致性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，油液不會對油底殼模態(tài)振型產(chǎn)生大的影響，但會使油底殼的模態(tài)頻率明顯下降；油液質(zhì)量是導(dǎo)致油底殼模態(tài)頻率下降的主要原因，而油液的體積模量對油底殼模態(tài)頻率影響很小。

振動與波；流固耦合；油底殼；模態(tài)試驗；耦合模態(tài)

油底殼屬于薄壁件，是發(fā)動機的主要發(fā)聲零件之一，對發(fā)動機的聲音品質(zhì)具有重要影響[1—3]。因此，有必要對油底殼的動態(tài)特性進行研究。在以往的文獻中，大都只考慮油底殼自身的結(jié)構(gòu)模態(tài)，而未考慮油液對油底殼結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響[2，3]，或者將流體對固體的作用以固體附加質(zhì)量形式進行模擬[4]。為對油底殼振動特性進行分析，并為進一步的聲輻射計算提供支持，本文首先對油底殼進行了模態(tài)計算和模態(tài)測試，保證了油底殼結(jié)構(gòu)模型的正確性，然后在此基礎(chǔ)上建立了考慮油液和油底殼之間耦合效應(yīng)的流固耦合模型，并通過模態(tài)試驗對計算結(jié)果進行了進一步驗證。試驗結(jié)果表明，本文的建模方法具有很好的準確性，對油底殼耦合特性分析和進一步的聲學預(yù)測具有重要意義。

1 流固耦合模態(tài)分析有限元法[5]

在流固耦合問題中，需要把結(jié)構(gòu)動力方程、流體運動方程和流體連續(xù)性方程綜合考慮。利用Galerkin變換，離散理想氣體的聲波方程，不考慮流體邊界由于結(jié)構(gòu)的阻尼導(dǎo)致的聲能耗散，可以得到有限元分析的聲學波動矩陣方程

考慮聲壓對結(jié)構(gòu)振動的影響時，需要在界面上加上流體壓力載荷向量，此時無阻尼結(jié)構(gòu)動力學有限元方程可表述為

式中[Me]、[Ke]分別表示結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度矩陣，{Fe}為結(jié)構(gòu)激勵力向量，{Ue}為節(jié)點位移分量向量。

方程(1.1)和(1.2)描述了聲固完全耦合的結(jié)構(gòu)流體運動方程，用統(tǒng)一的矩陣形式表示為

式中[Mfs]=ρ0[Re]T；[Kfs]=-[Re]。

2 無油狀態(tài)下油底殼模態(tài)分析

2.1 油底殼有限元建模與結(jié)構(gòu)模態(tài)計算

在Hypermesh中對沖壓油底殼進行抽取中面處理，然后進行面網(wǎng)格劃分。油底殼基本單元尺寸為4 mm，單元類型為Shell63，材料密度為7.85×103kg/ m3，彈性模量為2.1×1011Pa，油底殼的有限元的模型如圖1所示。將模型以cdb文件格式導(dǎo)出，然后在ANSYS中完成油底殼自由模態(tài)計算。

圖1 油底殼結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 有限元模型試驗驗證

為驗證有限元模型的合理性，采用LMS測試系統(tǒng)對油底殼進行了模態(tài)試驗，試驗時用橡皮筋將油底殼懸掛起來，試驗條件如圖2(a)所示。

表1列出了前5階模態(tài)頻率的測試結(jié)果和計算結(jié)果，圖3中給出了前3階模態(tài)振型的測試結(jié)果和計算結(jié)果（左側(cè)為測試結(jié)果，右側(cè)為計算結(jié)果）。

對比結(jié)果表明，前5階模態(tài)振型具有很好的一致性，模態(tài)頻率最大誤差值在5%以內(nèi)，可以說明油底殼有限元模型的正確性。

圖2 測試現(xiàn)場

表1 無油狀態(tài)下油底殼的模態(tài)頻率

3 油底殼流固耦合模態(tài)分析

3.1 耦合有限元建模與耦合模態(tài)計算

在油底殼有限元模型的基礎(chǔ)上建立包含油液的有限元耦合模型，需要注意的是，耦合面處結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格的節(jié)點必須重合，但不連續(xù)。油液部分采用ANSYS中的Fluid 30單元進行模擬，油液基本單元尺寸為4 mm，油液密度為8.86×102kg/m3，聲速為1 487 m/s，油底殼的流固耦合有限元模型如圖4所示。

將模型以cdb文件格式從hypermesh中導(dǎo)出，然后在ANSYS中讀入。在ANSYS前處理器中利用節(jié)點耦合命令CPINTF將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格在耦合面處“縫合”起來，并對耦合面施加耦合命令SF，F(xiàn)SI，最終完成耦合有限元模型的創(chuàng)建。在ANSYS求解器模塊中，對液面施加0聲壓邊界條件，選用非對稱求解法對耦合模型進行自由模態(tài)求解。

3.2 耦合模型試驗驗證

為驗證模型的合理性，對裝滿油狀態(tài)下的油底殼進行了模態(tài)試驗，試驗條件如圖2(b)所示。

表2給出了前5階耦合模態(tài)頻率的測試結(jié)果和計算結(jié)果，圖5中給出了前3階耦合模態(tài)振型的測試結(jié)果和計算結(jié)果（左側(cè)為測試結(jié)果，右側(cè)為計算結(jié)果）。

圖3 油底殼前3階模態(tài)振型

圖4 油底殼流固耦合有限元模型

表2 裝滿油狀態(tài)下油底殼的耦合模態(tài)頻率

對比結(jié)果表明，前5階耦合模態(tài)振型具有很好的一致性，模態(tài)頻率最大計算誤差為5.18%，可以說明油底殼耦合模型的正確性。

表3 不同油液建模方法下的油底殼模態(tài)頻率

為驗證流固耦合方法的優(yōu)越性，此處對油液的其它常用建模方法進行討論。表3給出了采用集中質(zhì)量均布法（將Mass 21單元均布在油底殼內(nèi)側(cè)濕壁處的各節(jié)點上）、材料密度修正法（增加油底殼濕壁區(qū)域的材料密度）時的油底殼前5階模態(tài)頻率計算結(jié)果以及與測試結(jié)果的相對誤差。兩種方法的最大計算誤差均超過了20%，明顯大于流固耦合計算方法。由此可以說明流固耦合建模方法在求解精度上的優(yōu)勢。

3.3 結(jié)果分析

通過對比圖3、圖5中的模態(tài)振型可以發(fā)現(xiàn)，油液對油底殼的整體振型影響不大。

表4給出了無油狀態(tài)和裝滿油狀態(tài)下油底殼模態(tài)頻率測試值。對比表中的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，油液的存在使油底殼的模態(tài)頻率明顯下降，且隨著模態(tài)階次的增加下降值逐漸變大，說明油液對油底殼的高階模態(tài)影響更為明顯；前5階模態(tài)頻率的差異率最大值達到了37%，說明不能忽視油液與油底殼之間的耦合作用。

表4 無油狀態(tài)和滿油狀態(tài)下油底殼的模態(tài)頻率

在圖6中，油底殼的模態(tài)頻率隨油液密度的減小而近似成線性升高，且增長率隨模態(tài)階數(shù)的變大而增大；在圖7中，油底殼的模態(tài)頻率基本上不隨油液體積模量的變化而變化。以上情況可以說明，油

圖5 油底殼前3階耦合模態(tài)振型

液的質(zhì)量是導(dǎo)致油底殼模態(tài)頻率下降的主要因素，而體積模量對油底殼模態(tài)頻率的影響不大。

圖6 油底殼前5階耦合模態(tài)頻率隨油液密度的變化曲線

圖7 油底殼前5階耦合模態(tài)隨油液聲速的變化曲線

4 結(jié)語

(1)試驗?zāi)B(tài)證明本文中的油底殼流固耦合有限元建模方法是正確的，可以用于油底殼動力學分析；

(2)油液對油底殼整體振型影響不大，但會導(dǎo)致油底殼模態(tài)頻率明顯下降；

(3)油液對油底殼高階模態(tài)頻率影響較大，因此在對油底殼進行聲輻射分析時不能忽視油液的影響；

(4)油液質(zhì)量是導(dǎo)致油底殼模態(tài)頻率降低的主要原因，而油液的體積模量對油底殼模態(tài)頻率的影響不大。

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]方華，王天靈，李盛成，等.柴油機油底殼輻射聲場的仿真研究[J].噪聲與振動控制，2007(5)：115-118.

[3]鄧曉龍，張宗杰，胡昆鵬.內(nèi)燃機油底殼模態(tài)分析及噪聲預(yù)測[J].噪聲與振動控制，2003(2)：29-31.

[4]郭昂，于洪亮，宋玉超.油液對油底殼模態(tài)的影響分析[J].大連海事大學學報，2011，37(1)：118-123.

[5]馬天飛，林逸，張建偉.轎車車室聲固耦合系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].機械工程學報，2005，41(7)：225-230.

[6]李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算高級應(yīng)用實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

Fluid-structure Coupled Model for ModalAnalysis of an Oil Pan

CHEN Dong-dong1,2,WANGHui1,2,YANG Jing-ling1,2,LI Liang1,2,SONG Zhao-zhe1,2

(1.Technical Center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,Hebei China; 2.HebeiAutomobile Engineering Technology and Research Center,Baoding 071000,Hebei China)

∶The structure model and fluid-structure interaction(FSI)model of an oil pan are built respectively,and the building procedure of FSI model is introduced in detail.Both models are verified by comparing modal results of simulation with those of modal testing.Their modal shapes and eigenvalues are discussed carefully.The results show that engine oil has less influence on modal shape of the oil pan,but can reduce the modal frequency of the oil pan obviously.Mass of the engine oil is the main factor to reduce the modal frequency,while bulk modulus of the engine oil has little impact on the modal frequency.

∶vibration and wave;fluid-structre interaction(FSI);oil pan;modal testing;coupled mode

TB533+.2< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.004

1006-1355(2014)06-0017-03+24

2014-04-11

陳冬冬（1986-），男，河南駐馬店人，碩士，目前從事車輛振動與噪聲控制研究。

E-mail∶chendongdong1108@163.com