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你知道如何使用EXCITE软件进行发动机台架模拟吗？

2019-01-18 19:55:19·  来源：AVL先进模拟技术  
　
本期技术贴给大家介绍一下采用EXCITE Power Unit软件如何进行发动机台架模拟。一．前言：EXCITE Power Unit作为发动机动力学分析中应用最全面、最广泛的时域柔性
本期技术贴给大家介绍一下采用EXCITE Power Unit软件如何进行发动机台架模拟。

一．前言：
EXCITE Power Unit作为发动机动力学分析中应用最全面、最广泛的时域柔性多体动力学分析软件，在曲轴扭振分析、发动机结构强度分析、轴承润滑分析、发动机NVH分析等各个应用领域方面，广受主机厂和供应商CAE工程师青睐。
做为CAE仿真的常规流程，将模拟结果与发动机的台架试验结果进行对标是必不可少的重要环节，这样做一方面可以进行模型修正，提高模型的精度和可信性；另一方面，高精度的模型反过来可以指导台架试验设计，提高试验效率和降低试验风险和成本。为此，需要保证建立的模型尽可能与台架试验状态完全一致。当然，完整的发动机台架模型还可用于台架联轴器、悬置等结构的匹配和可靠性评估。
 
本期技术贴详细介绍发动机台架模型的建模方法和思路，以期为EXCITE发动机动力学分析用户提供建模和分析参考。

二．模型介绍：
介绍的示例模型从软件的安装示例模型102_I4模型扩展而来，只是在原有模型基础上，考虑发动机前悬支架结构、发动机后端龙门架及真实悬置刚度，同时在飞轮后端，加入联轴器、传动轴和测功机，模型拓扑图如下：
模型中，发动机、曲轴、连杆、悬置支架、联轴器、传动轴、测功机都采用基于有限元的柔性体建模，而地面则采用刚性体定义，模型三维图如下：
下面分部件进行详细说明：
 
1. 悬置：
发动机台架测试时一般前悬（整车坐标系下一般也称之为左悬）采用发动机真实悬置，而后端（飞轮端）由于没有变速箱存在，是将发动机端面直接通过螺栓固定在龙门架上，而龙门架和底座（地面）之间通过橡胶悬置进行连接。这种支撑方式尤其在车用小型发动机台架测试中广泛采用。需要注意的是一般后端龙门架悬置所选用的橡胶块会比真实橡胶悬置刚度大很多（3~5倍），不准确的刚度定义必然会导致不准确的发动机振动结果。同时，前悬支架与后端龙门架都采用有限元进行准确建模，可以考虑其自身刚度的影响。
2. 联轴器、传动轴
对于和飞轮连接的连接盘，需要在螺栓连接点和飞轮建立真实的周向均布的多个螺栓连接关系，而不能只建立旋转轴中心位置单个点的连接，这样才可以考虑飞轮陀螺效应对联轴器弯扭的影响，特别是想要进行连接盘和联轴器等部件的强度计算时。另外，花键连接关系可以采用FTAB单元模拟扭转刚度和径向支撑。
 
3. 测功机
测功机电机转子和壳体（定子）均采用有限元模型进行缩减，它们之间需要建立轴承和电机连接副（EMC），利用电机连接副可以通过目标转速曲线方便地对发动机转速进行控制。如果要进行稳定工况的模拟，只需要设定整个时域电机的目标转速为当前发动机需要模拟的转速即可，电机单元会根据设定的PID控制参数输出负载扭矩，控制发动机转速。这样的话，原始模型中需要在飞轮端添加的平均扭矩负载就不需要再添加了。
三． 台架模型主要应用场景：
1. NVH模拟
完整详细的台架模型可以对台架所有的NVH分析内容进行分析，主要包括如下几个方面：
  • 台架模态
  • 悬置振动
  • 机体表面测点振动
  • 发动机结构噪声
  • 发动机噪声辐射
  • ……
模态是NVH分析最基础却又十分关键的分析手段，不管是测试还是仿真，模态分析都必不可少。而模态试验测试由于受到很多试验条件、试验精度的制约，大多数情况只能是部件级或子系统级的测试，很少能做到整机甚至整个台架的层面。这就为台架测试的振动预判、问题分析和优化带来了障碍。而通过完整的台架模型，可以进行台架整体的模态分析，扫除以上障碍。仿真模拟得到的模态，不仅有各阶模态的频率值，还有该模态下的能量占比（分自由度和结构体），更有直观的模态振型动画，如下图所示：
曲轴系扭转模态 259Hz
整机模态 703Hz
另外，不论是悬置振动、机体表面其他测点振动，还是噪声辐射麦克风声压级，都可用于和试验测试进行一一对应，一方面可用于仿真模型校准与调试；另一方面，准确的仿真结果还可以返过来指导台架试验设计，比如测点布置位置，以提高试验效率，降低试验风险和成本。更进一步，准确的模拟结果有别于试验的是振动和噪声辐射结果是三维分布结果，结合EXCITE面板贡献和模态贡献等后处理分析方案，可以对结构振动进行有针对性的振动优化。
2. 强度分析
针对台架测试工况发动机曲轴的强度分析，采用完整台架模型，可以准确考虑飞轮端承载状态，从而与发动机耐久试验相对应，进行曲轴的寿命分析。准确的仿真模型甚至可以一定程度上替代部分台架试验，从而大大缩短产品开发周期，降低研发成本。
除此以外，台架试验上经常碰到的联轴器、传动轴、前悬支架等断裂问题，也可以基于台架模型进行模拟，以发现问题根源，优化台架设计方案，减少不必要的损失。
 瞬态位移                               瞬态应力
3. EHD分析
完整的台架模型，才能准确模拟曲轴在台架试验状态下的弯扭状态，这又直接影响到主轴承、连杆大头轴承润滑和磨损分析的精确性。所以，完整的台架模型，可用于台架试验状态准确的主轴承和连杆大头轴承的润滑分析，这对于轴承耐久试验同样具有指导意义和部分可替代性。
 
曲轴弯扭变形
 
4. 倒拖工况模拟
台架测试经常也需要进行倒拖工况的测试，而完整的台架模型，同样可以进行倒拖工况的模拟，因为有电机单元的加入，可以完全模拟和试验倒拖测试一样的运行状态。此时，发动机端压缩空气做负功，电机则提供扭矩输入拖动发动机旋转。
四． 总结：
采用EXCITE POWER UNIT软件可以进行包括测功机在内的完整台架系统动力学分析，可方便地进行发动机转速控制，同时也可以进行发动机倒拖工况模拟；
 
详细台架模型可以用于和台架试验进行对标，校准模型可用于模拟和台架几乎完全相同状态下的发动机振动噪声问题、结构可靠性问题以及轴承润滑问题；
 
校准模型可以一定程度上替代部分台架试验，特别是耐久试验，从而缩短产品开发周期，降低研发成本。
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