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基于提升发动机NVH品质的外围支架有限元分析与测试
2018-02-26 22:34:21·
来源：安徽江淮汽车股份有限公司技术中心发动机的外围支架是引起其产生结构共振的关键因素，在基于噪声振动测试的基础上，对悬置支架、发电机调支架和空压机支架进行结构分析，通过模态分析优化原有结构，并通过振动试验实际测量实际的优化结果。通过分析与测试手段的结合，有效提升了发动机外围支架的振动频率，从而避免了
来源：安徽江淮汽车股份有限公司技术中心
发动机的外围支架是引起其产生结构共振的关键因素，在基于噪声振动测试的基础上，对悬置支架、发电机调支架和空压机支架进行结构分析，通过模态分析优化原有结构，并通过振动试验实际测量实际的优化结果。通过分析与测试手段的结合，有效提升了发动机外围支架的振动频率，从而避免了共振风险，为分析的准确性与发动机噪声振动数据的积累奠定了基础。
随着汽车行业对发动机NVH品质的关注，发动机外围支架的设计也越来越受到关注，提升支架的固有振动频率，有效避开发动机的共振频段，成为改善发动机振动的有效手段。发动机噪声振动测试与有限元分析手段不断发展，目前已经形成优化发动机外围支架的方法：首先通过测试获得发动机外围支架的振动，然后采用有限元分析优化其固有频率，再以振动测试检测实际优化的结果，以此形成一个闭环。结果表明，有限元分析能够提供支架优化方案，通过实验验证能够明显改善支架类零件的振动情况，同时也为发动机噪声振动数据的积累奠定基础。
发动机外围支架测试
通过对发动机外围支架的初步测量：悬置支架的一阶频率为202Hz，发电机支架的一阶频率为151Hz，空压机支架的一阶频率为174Hz。
对于支架类零件，要求其固有频率大于发动机点火频率；对于悬置支架等重要零件，要求其固有频率大于2倍发动机点火频率。以发动机的设计转速为5490r/min计算，要求发电机支架、空压机支架的振动频率在183Hz以上，悬置支架的振动频率在367Hz以上。从测试结果分析来看，悬置支架的频率远远低于设计的最低要求，而发电机支架的频率在最低要求边缘，空压机支架频率满足最低要求。从测试结果可以得出如下结论：
⑴ 悬置支架振动频率低，必须进行优化，以避开发动机的共振频段，并减小共振能量。
⑵ 发电机支架的振动频率在最低要求边缘，也需进一步优化，以提高发动机整体振动性能。
⑶ 空压机支架的振动频率高于最低要求，但是从频率范围的要求看，依然存在优化空间。
有限元分析
在Hypermesh中建立有限模型，包括缸体、油底壳、法兰、悬置支架、水泵、发电机、发电机支架、空压机、空压机支架和螺栓（见图2）。有限云模型完成后，提交NASTRAN进行计算（具体阵型如图3所示）。悬置支架的一阶阵型为绕着X轴上下振动，其振动频率为336Hz；发电机支架的一阶阵型为绕着Y轴前后振动，其振动频率为154Hz；空压机支架的一阶阵型为绕着Y轴左右振动，其振动频率为220Hz。
测试与分析频率值比较
下表中列出的是三个支架测试与分析频率值的比较结果。从表中可以看出，假设测试结果接近真值，则悬置支架模态频率计算误差为66%，发电机支架模态频率计算误差为1.9%，空压机支架模态频率计算误差为26%。通过比较，悬置支架的分析误差较大，而发电机支架的分析误差最小，空压机分析误差居中，因此通过分析得到的优化结果必须进一步通过实验来验证。
新方案的分析与测试验证
针对模态阵型与模态频率，采用拓扑优化的方法对上述三个支架进行优化，由于分析与实验之间存在一定误差，因此需要对优化结果进行验证，以保证优化结果的可靠性。
1. 新方案的分析结果
通过模态优化，三个支架的一阶模态频率均已达到设计要求。
2. 新方案的测试结果
悬置支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：悬置支架优化后，其一阶振动频率并没有明显提高，依然在202Hz附近。但是202Hz振动频率下的振动能量减少很多，300～500Hz频段下的振动情况明显得到改善。
发电机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：发电机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的151Hz提高到174Hz，174Hz附近的振动能量明显降低，X方向的振动情况明显得到改善，振动频率依然低于要求。
空压机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：空压机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的174Hz提高到188Hz，振动频率满足于要求，且 X方向的振动情况明显得到改善。
结论
（1）使用测试－分析－再测试的闭环分析方法，可以实现对发动机外围支架的优化。
（2）分析结果与实验测试结果存在一定偏差，这与分析模型的简化、材料数据的使用有明显的关系，后期需要根据实验结果重新标定分析模型。
（3）对优化后的方案进行测试，尽管悬置支架和发电机支架的模态频率值没有达到预期要求，但是从测试结果可以看出，两个支架在共振频率下的振动能量明显下降。当振动频率接近共振频率时，容易引起共振，但是振动能量小，引起的共振也只是暂时的或微小的，在发动机工作工况改变后，这种情况就会消失。由于发动机的布置空间有限，能够优化的空间也比较小，若无法有效避开共振频率，就应当尽量减小振动能量，以降低风险。
（4）采用拓扑优化的手段对发动机外围支架进行优化，从分析的角度来看，支架的模态是可以有效改善的。
发动机的外围支架是引起其产生结构共振的关键因素，在基于噪声振动测试的基础上，对悬置支架、发电机调支架和空压机支架进行结构分析，通过模态分析优化原有结构，并通过振动试验实际测量实际的优化结果。通过分析与测试手段的结合，有效提升了发动机外围支架的振动频率，从而避免了共振风险，为分析的准确性与发动机噪声振动数据的积累奠定了基础。
随着汽车行业对发动机NVH品质的关注，发动机外围支架的设计也越来越受到关注，提升支架的固有振动频率，有效避开发动机的共振频段，成为改善发动机振动的有效手段。发动机噪声振动测试与有限元分析手段不断发展，目前已经形成优化发动机外围支架的方法：首先通过测试获得发动机外围支架的振动，然后采用有限元分析优化其固有频率，再以振动测试检测实际优化的结果，以此形成一个闭环。结果表明，有限元分析能够提供支架优化方案，通过实验验证能够明显改善支架类零件的振动情况，同时也为发动机噪声振动数据的积累奠定基础。
发动机外围支架测试
通过对发动机外围支架的初步测量：悬置支架的一阶频率为202Hz，发电机支架的一阶频率为151Hz，空压机支架的一阶频率为174Hz。
对于支架类零件，要求其固有频率大于发动机点火频率；对于悬置支架等重要零件，要求其固有频率大于2倍发动机点火频率。以发动机的设计转速为5490r/min计算，要求发电机支架、空压机支架的振动频率在183Hz以上，悬置支架的振动频率在367Hz以上。从测试结果分析来看，悬置支架的频率远远低于设计的最低要求，而发电机支架的频率在最低要求边缘，空压机支架频率满足最低要求。从测试结果可以得出如下结论：
⑴ 悬置支架振动频率低，必须进行优化，以避开发动机的共振频段，并减小共振能量。
⑵ 发电机支架的振动频率在最低要求边缘，也需进一步优化，以提高发动机整体振动性能。
⑶ 空压机支架的振动频率高于最低要求，但是从频率范围的要求看，依然存在优化空间。
有限元分析
在Hypermesh中建立有限模型，包括缸体、油底壳、法兰、悬置支架、水泵、发电机、发电机支架、空压机、空压机支架和螺栓（见图2）。有限云模型完成后，提交NASTRAN进行计算（具体阵型如图3所示）。悬置支架的一阶阵型为绕着X轴上下振动，其振动频率为336Hz；发电机支架的一阶阵型为绕着Y轴前后振动，其振动频率为154Hz；空压机支架的一阶阵型为绕着Y轴左右振动，其振动频率为220Hz。
测试与分析频率值比较
下表中列出的是三个支架测试与分析频率值的比较结果。从表中可以看出，假设测试结果接近真值，则悬置支架模态频率计算误差为66%，发电机支架模态频率计算误差为1.9%，空压机支架模态频率计算误差为26%。通过比较，悬置支架的分析误差较大，而发电机支架的分析误差最小，空压机分析误差居中，因此通过分析得到的优化结果必须进一步通过实验来验证。
新方案的分析与测试验证
针对模态阵型与模态频率，采用拓扑优化的方法对上述三个支架进行优化，由于分析与实验之间存在一定误差，因此需要对优化结果进行验证，以保证优化结果的可靠性。
1. 新方案的分析结果
通过模态优化，三个支架的一阶模态频率均已达到设计要求。
2. 新方案的测试结果
悬置支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：悬置支架优化后，其一阶振动频率并没有明显提高，依然在202Hz附近。但是202Hz振动频率下的振动能量减少很多，300～500Hz频段下的振动情况明显得到改善。
发电机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：发电机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的151Hz提高到174Hz，174Hz附近的振动能量明显降低，X方向的振动情况明显得到改善，振动频率依然低于要求。
空压机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：空压机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的174Hz提高到188Hz，振动频率满足于要求，且 X方向的振动情况明显得到改善。
结论
（1）使用测试－分析－再测试的闭环分析方法，可以实现对发动机外围支架的优化。
（2）分析结果与实验测试结果存在一定偏差，这与分析模型的简化、材料数据的使用有明显的关系，后期需要根据实验结果重新标定分析模型。
（3）对优化后的方案进行测试，尽管悬置支架和发电机支架的模态频率值没有达到预期要求，但是从测试结果可以看出，两个支架在共振频率下的振动能量明显下降。当振动频率接近共振频率时，容易引起共振，但是振动能量小，引起的共振也只是暂时的或微小的，在发动机工作工况改变后，这种情况就会消失。由于发动机的布置空间有限，能够优化的空间也比较小，若无法有效避开共振频率，就应当尽量减小振动能量，以降低风险。
（4）采用拓扑优化的手段对发动机外围支架进行优化，从分析的角度来看，支架的模态是可以有效改善的。
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