發(fā)動機(jī)水管的模態(tài)試驗與仿真對標(biāo)研究

趙建兵 李浩亮 林文干 楊劍

東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院 湖北武漢 430057

1 前言

隨著汽車行業(yè)進(jìn)入存量競爭的時代，各大車企為搶占市場，新車型的開發(fā)周期越來越短。NVH作為衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合性要素，已經(jīng)貫穿于新品研發(fā)的各個設(shè)計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)。此開發(fā)模式為從根本上解決NVH問題提供了技術(shù)保障，但同時也加重了各部件級、零件級設(shè)計者的負(fù)擔(dān)，因此各零部件的NVH目標(biāo)值的準(zhǔn)確與否變得至關(guān)重要。

水管作為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件的連接單元，其一階模態(tài)固有頻率需避開發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速的二階激勵頻率，這樣才能避免發(fā)生共振，提高其可靠性耐久性。為了確定水管原裝狀態(tài)下的模態(tài)目標(biāo)值，本文通過試驗與仿真對標(biāo)的方法，對四種CAE分析方案進(jìn)行了探究，最終確定附加水質(zhì)量的分析方案準(zhǔn)確、高效。

2 問題現(xiàn)狀分析

某款發(fā)動機(jī)在臺架進(jìn)行冷熱沖擊耐久試驗時，水管支架總是出現(xiàn)開裂情況，設(shè)計人員認(rèn)為是共振導(dǎo)致。但是該款發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，最高轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，冷熱沖擊試驗過程中的掃頻激勵范圍為25～120 Hz，而水管約束模態(tài)的CAE分析結(jié)果顯示一階固有頻率為145Hz，理論上已經(jīng)完美避頻。針對此類水管、油箱等涉及液固耦合的零部件，相關(guān)文獻(xiàn)表明：與空油箱相比，含有燃油的油箱模態(tài)頻率較低[1]； 模型的建模方案不同，模態(tài)分析結(jié)果也有較大差異[2]。對此，為探究本單位目前應(yīng)用的CAE分析方案的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了后續(xù)研究。

3 模態(tài)試驗分析

模態(tài)試驗可同時測量試驗構(gòu)件的輸出與輸出，經(jīng)軟件處理后得到其傳遞函數(shù)，然后通過各種參數(shù)識別方法得到結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率和振型。本次試驗只為對標(biāo)發(fā)動機(jī)水管的一階固有頻率，因此只進(jìn)行了單點傳遞函數(shù)的測試。選取發(fā)動機(jī)三種型號的水管進(jìn)行模態(tài)測試，內(nèi)徑分別為12 mm、19 mm和33 mm，如圖1所示。試驗時將鋼管兩端的橡膠管斷開，進(jìn)行“干模態(tài)”測試。

為模擬發(fā)動機(jī)運(yùn)行時水管的充水狀態(tài)，將水管拆下浸沒于水中用塑料膜、扎帶兩端密封，重新安裝后，進(jìn)行“濕模態(tài)”測試。測試結(jié)果如圖2所示。

對比圖2a、2c、2e與圖2b、2d、2f 可知，發(fā)動機(jī)水管充水后，其一階固有頻率顯著降低，說明水管是否有水對模態(tài)頻率影響較大。CAE仿真分析時，不能忽略水的存在，至于哪種分析方案較為準(zhǔn)確需要進(jìn)一步研究。在水管充水進(jìn)行濕模態(tài)測試時，隨著管徑的增大，其密封難度也增大，圖2d和圖2f的傳遞函數(shù)曲線出現(xiàn)較紊亂的峰值，推斷是在受力錘沖擊后，管中水的震蕩所致。

4 仿真模態(tài)分析

本文為了探究有限元模型的準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行了無水與有水狀態(tài)的模態(tài)對標(biāo)。有限元分析模型主要由水管和支架構(gòu)成，管壁采用殼單元，網(wǎng)格尺寸約4 mm，支架由于是鈑金件，也采用殼單元，網(wǎng)格尺寸根據(jù)支架大小而定，確保網(wǎng)格質(zhì)量不會影響計算結(jié)果。水管與支架采用RBE2單元連接，約束支架在發(fā)動機(jī)上的安裝孔位置，進(jìn)行約束模態(tài)分析。

圖1 三種型號發(fā)動機(jī)水管

圖2 三種型號水管一階頻率測試結(jié)果

4.1 分析方案

方案一：

進(jìn)行干模態(tài)對標(biāo)，忽略水的影響，僅考慮水管殼體，水管單元密度為水管材料的真實密度。

方案二：

在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)模態(tài)測試時的傳感器安裝位置，在有限元模型的對應(yīng)位置上附加傳感器質(zhì)量，經(jīng)稱量，傳感器質(zhì)量為24 g。

方案三：

進(jìn)行濕模態(tài)對標(biāo)，附加水的質(zhì)量，可通過增加管壁密度或均勻附加質(zhì)量點的方法實現(xiàn)，最終確保除支架外的模型總質(zhì)量等于水和鋼管的質(zhì)量和，同時在相應(yīng)位置附加傳感器質(zhì)量。

方案四：

進(jìn)行濕模態(tài)對標(biāo)，采用液固耦合的方法進(jìn)行分析。劃分管內(nèi)水所占體積網(wǎng)格，賦予聲學(xué)單元屬性，定義壓力邊界條件和偶合面。

4.2 分析結(jié)果

利用OptiStruct求解器和Virtual.lab的Acoustic FEM模塊，計算上述四種方案的模態(tài)。在圖3～圖5中，分別表述了方案一、方案二、方案三、方案四的分析結(jié)果。

圖3 內(nèi)徑12 mm水管模態(tài)仿真分析結(jié)果

圖4 內(nèi)徑19 mm水管模態(tài)仿真分析結(jié)果

圖5 內(nèi)徑33 mm水管模態(tài)仿真分析結(jié)果

5 結(jié)果對標(biāo)分析

整理上述的模態(tài)試驗結(jié)果和仿真分析結(jié)果，如表1所示。

表1 水管干濕模態(tài)試驗與仿真結(jié)果

對比表1中第二、三列數(shù)據(jù)，模態(tài)仿真計算時，若不考慮傳感器質(zhì)量的影響，仿真結(jié)果誤差較大。內(nèi)徑12 mm水管一階模態(tài)頻率誤差最大，高達(dá)26.8%，內(nèi)徑19 mm水管誤差為12.4%；內(nèi)徑33 mm水管誤差為19.7%。

對比表1中第二、四列數(shù)據(jù)，模態(tài)仿真計算時，在對應(yīng)位置附加傳感器質(zhì)量后，內(nèi)徑12 mm水管一階模態(tài)頻率誤差明顯降低，降為2.2%；內(nèi)徑19 mm水管誤差降低效果一般，降為7.4%；內(nèi)徑33 mm水管誤差降低效果不明顯，僅降為16.9%。分析原因，當(dāng)進(jìn)行水管模態(tài)仿真與試驗對標(biāo)時，若傳感器布置在剛度較弱的位置，仿真分析時不可忽略傳感器質(zhì)量的影響，必須在有限元模型對應(yīng)位置附加傳感器質(zhì)量。

對比表1中第二、五列數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)動機(jī)水管充滿水時，一階模態(tài)頻率明顯降低。因此在制定發(fā)動機(jī)水管一階模態(tài)頻率目標(biāo)值時，應(yīng)以濕模態(tài)頻率為指標(biāo)，這樣才能有效地實現(xiàn)模態(tài)分離。

對比表1中第五、六、七列數(shù)據(jù)，對于三種型號的水管，附加水質(zhì)量的分析方法誤差分別為4.3%，12.9%，8.7%；而耦合模態(tài)仿真分析方法誤差分別為20.1%，25.7%，40.9%。雖然有關(guān)文獻(xiàn)表明，耦合模態(tài)分析方法更適用于濕模態(tài)計算，但本文數(shù)據(jù)顯示，對于發(fā)動機(jī)水管的約束濕模態(tài)分析，附加水質(zhì)量的方法更為合適，誤差較小且高效。

分析原因，對于此類約束模態(tài)而言，一階模態(tài)主要為支架模態(tài)，主要與支架剛度和水管質(zhì)量有關(guān)，因此充水后附加的質(zhì)量對頻率影響較大。液固耦合作用雖然對水管在自由邊界條件下的低階模態(tài)剛度有提高的效果，但是對約束邊界條件下的模態(tài)頻率影響較小，如表1第四、七列所示。

6 結(jié)語

本文主要通過對三種型號的發(fā)動機(jī)水管進(jìn)行原裝支撐干、濕模態(tài)試驗分析，并與有限元模型的四種方案的分析案結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，得出以下結(jié)論：

a.對發(fā)動機(jī)水管進(jìn)行模態(tài)仿真與試驗對標(biāo)時，若傳感器布置在剛度較弱位置，仿真分析時必須考慮傳感器質(zhì)量的影響。

b.在制定發(fā)動機(jī)水管一階模態(tài)頻率目標(biāo)值時，應(yīng)以濕模態(tài)頻率為指標(biāo)，否則設(shè)計的水管可能會出現(xiàn)共振，導(dǎo)致水管支架開裂。

c.對于發(fā)動機(jī)水管濕模態(tài)仿真分析，附加水質(zhì)量的分析方法較為準(zhǔn)確、高效。