發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架接附點(diǎn)動(dòng)剛度分析及優(yōu)化

陶正勇 韋世寶

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架動(dòng)剛度對(duì)車(chē)輛的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）性能有著重要影響。介紹了動(dòng)剛度分析原理，利用ABAQUS軟件對(duì)某重型發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架進(jìn)行動(dòng)剛度分析。針對(duì)局部頻率點(diǎn)的動(dòng)剛度響應(yīng)較大的問(wèn)題，對(duì)懸置支架及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)計(jì)算，優(yōu)化后的懸置支架動(dòng)剛度響應(yīng)結(jié)果滿(mǎn)足評(píng)價(jià)要求。該研究對(duì)懸置支架動(dòng)剛度設(shè)計(jì)和計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義。

發(fā)動(dòng)機(jī);懸置支架;動(dòng)剛度

0 前言

噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）性能是影響汽車(chē)舒適性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。作為汽車(chē)最主要振動(dòng)激勵(lì)源的動(dòng)力總成懸置的隔振性能對(duì)整車(chē)的NVH性能有著直接影響。在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員不僅需要關(guān)注懸置軟墊的隔振性能，還應(yīng)關(guān)注懸置支架的剛性是否足夠。懸置支架的剛性通常通過(guò)懸置支架的模態(tài)頻率和懸置支架接附點(diǎn)動(dòng)剛度（IPI）進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-4]。本文對(duì)某重型發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架接附點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)剛度小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，可能導(dǎo)致NVH性能下降。研究人員通過(guò)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了支架的動(dòng)剛度，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

1 動(dòng)剛度分析

動(dòng)剛度分析是評(píng)價(jià)車(chē)身和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架接附點(diǎn)NVH性能的重要方法。靜剛度是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位位移所需外力，其為常數(shù)，表征了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。動(dòng)剛度是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需的動(dòng)態(tài)外力，表征了結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下抵抗變形的能力。該動(dòng)態(tài)力不是常數(shù)，而是隨著頻率變化的函數(shù)[4-6]。

研究人員在進(jìn)行動(dòng)剛度分析時(shí)，需要對(duì)支架的接附點(diǎn)（即懸置支架與懸置軟墊連接點(diǎn)）施加某一頻率范圍內(nèi)的單位力，同時(shí)輸出接附點(diǎn)的加速度響應(yīng)，由此得到接附點(diǎn)在分析頻率范圍內(nèi)的加速度導(dǎo)納IPI。通常產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)都會(huì)設(shè)定動(dòng)剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)值 K ，由此可以計(jì)算得出在不同頻率 f 下的加速度響應(yīng)曲線目標(biāo)值 X ，如式1所示。

X¨（t）=（2πf）2K（1）

在工程上，習(xí)慣將IPI的加速度相應(yīng)曲線與目標(biāo)曲線進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)在整個(gè)分析頻域范圍內(nèi)的懸置支架接附點(diǎn)動(dòng)剛度性能。

2 某重型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝動(dòng)剛度分析

2.1 有限元網(wǎng)格模型

某重型發(fā)動(dòng)機(jī)主要匹配商用車(chē)。在設(shè)計(jì)初期，為了考察其前懸置接附點(diǎn)的動(dòng)剛度性能，研究人員利用有限元仿真分析方法進(jìn)行了IPI分析。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體裙部及周邊零部件對(duì)懸置支架接附點(diǎn)動(dòng)剛度均會(huì)產(chǎn)生影響。相關(guān)有限元模型包括了氣缸體、油底殼、油封座、前懸置支架、螺栓等零件。研究人員用西門(mén)子NX軟件建立分析支架的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型，將CAD模型導(dǎo)入HyperWorks軟件中的Hypermesh模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)前懸置支架及連接區(qū)域附近的有限元網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，以提高仿真分析精度;然后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行建模，施加載荷，約束邊界，求解和后處理。網(wǎng)格模型規(guī)格采用C3D10M，密度取7 500 kg/m3，彈性模量取170 GPa，泊松比為0.3。有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

2.2 模型設(shè)置

研究人員在機(jī)體、油底殼、油封座與前懸置支架結(jié)合面之間建立接觸副，螺栓使用tie約束條件進(jìn)行連接，并在懸置軟墊上端面中心建立參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與懸置支架與懸置軟墊安裝接觸的端面之間建立Coupling約束條件。參考點(diǎn)代表了懸置支架接附點(diǎn)位置的受載情況和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。

研究人員在ABAQUS軟件中采用基于模態(tài)疊加法的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)開(kāi)展懸置接附點(diǎn)的相應(yīng)分析。一般需要關(guān)注懸置支架1 000 Hz以?xún)?nèi)的動(dòng)剛度，因此研究人員將響應(yīng)分析頻率范圍設(shè)置為0～1 000 Hz。在開(kāi)展響應(yīng)分析之前，研究人員需要對(duì)模型進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算，分析頻率為0～2 000 Hz。在響應(yīng)分析時(shí)，研究人員依次在懸置支架參考點(diǎn)的 X、Y、Z 方向上施加1 N的單位載荷，同時(shí)輸出參考點(diǎn)的 X、Y、Z 向加速度的響應(yīng)結(jié)果。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

在有限元分析完成后，研究人員依次提取參考點(diǎn)的 X、Y、Z 向加速度的響應(yīng)結(jié)果。有相關(guān)文獻(xiàn)表示，動(dòng)剛度的目標(biāo)值一般設(shè)定在5 000～10 000 N/mm，且各向的動(dòng)剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)會(huì)有所差異[4-6]。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置接附點(diǎn) X、Y、Z 向的動(dòng)剛度目標(biāo) K 設(shè)定為大于等于10 000 N/mm，根據(jù)（1）式計(jì)算可以得到頻率 f 在0～1 000 Hz范圍內(nèi)，動(dòng)剛度為10 000 N/mm時(shí)對(duì)應(yīng)的IPI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖2）。

如圖2所示，為使IPI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線更為平滑，研究人員對(duì)縱坐標(biāo)取了對(duì)數(shù)。在理論上，懸置接附點(diǎn)的IPI曲線應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的IPI曲線，這樣才能保證懸置支架接附點(diǎn)收到單位載荷作用下的加速度響應(yīng)幅值小于標(biāo)準(zhǔn)值。在圖2中，在分析頻率范圍內(nèi)， Y 向IPI曲線小于標(biāo)準(zhǔn)值曲線，但 X 向和 Z 向局部頻率點(diǎn)的IPI曲線超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在這些頻率點(diǎn)附近容易出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)，因此需要對(duì)機(jī)體和前懸支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

圖3為機(jī)體和前懸支架在超標(biāo)頻率點(diǎn)的模態(tài)振型。由圖3可見(jiàn)，相對(duì)振幅較大的除了支架本身外，還有機(jī)體裙部的振型。因此，優(yōu)化方案為針對(duì)懸置支架和機(jī)體裙部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，以提高其剛度。

如圖4所示，研究人員在機(jī)體裙部增加了加強(qiáng)筋和氣缸體加強(qiáng)板，以提高機(jī)體裙部剛性。通過(guò)將安裝上懸置的2個(gè)螺孔由筋條連接起來(lái)，同時(shí)增加1條豎直的筋條，發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)得到了支撐。同時(shí)，懸置支架與機(jī)體連接的法蘭半徑增加了1 mm。2處結(jié)構(gòu)的改變引起機(jī)體質(zhì)量增加0.23 kg。

3.2 優(yōu)化后IPI分析

研究人員對(duì)優(yōu)化后的幾何模型重新進(jìn)行了劃分網(wǎng)格，建立仿真分析模型。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到優(yōu)化后的IPI曲線如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，優(yōu)化后懸置支架接附點(diǎn)的IPI響應(yīng)曲線均小于目標(biāo)值。這說(shuō)明優(yōu)化方案是有效的，優(yōu)化后的懸置支架接附點(diǎn)動(dòng)剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

懸置支架接附點(diǎn)的動(dòng)剛度對(duì)車(chē)輛NVH性能有著直接影響。研究人員采用IPI分析方法對(duì)某重型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架進(jìn)行動(dòng)剛度分析，發(fā)現(xiàn)分析頻域范圍內(nèi)存在局部IPI響應(yīng)峰值超出目標(biāo)值，可能存在NVH性能影響。通過(guò)分析問(wèn)題頻率點(diǎn)附近的模態(tài)振型，研究人員確定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架和裙部模態(tài)剛度較弱，并對(duì)懸置支架和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體裙部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。優(yōu)化后的懸置接附點(diǎn)IPI滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效規(guī)避了后期發(fā)動(dòng)機(jī)配套NVH性能的影響。該研究有助于相關(guān)懸置支架動(dòng)剛度的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

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