摘要： 為提升汽車發(fā)動機(jī)油底殼動剛度，減少其振動噪聲，對其動力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化.利用SolidWorks設(shè)計某型號油底殼初始模型，采用Abaqus分析其模態(tài)和頻率響應(yīng)，并根據(jù)分析結(jié)果對原始模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.優(yōu)化后的汽車發(fā)動機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能顯著提升.

關(guān)鍵詞： 汽車； 發(fā)動機(jī)； 油底殼； 剛度； 噪聲； 模態(tài)； 頻率響應(yīng)； 優(yōu)化

中圖分類號： TB123；TK411.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To improve the dynamic stiffness of an automobile engine oil pan and reduce its vibration and noise， its dynamic performance is optimized. An original oil pan model is designed by SolidWorks， the modal analysis and frequency response are analyzed by Abaqus， and the original model is analyzed and redesigned. The dynamic performance of the optimized automobile engine oil pan is enhanced significantly.

Key words： automobile； engine； oil pan； stiffness； noise； modality； frequency response； optimization

0引言

隨著人類生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為眾多家庭必備的出行工具.人們對汽車舒適性的要求越來越高，提高汽車舒適性能是汽車企業(yè)提高市場競爭力所要考慮的一個重要方面.汽車振動噪聲嚴(yán)重影響乘員的舒適性.發(fā)動機(jī)噪聲是汽車等機(jī)動車主要噪聲來源，其薄壁構(gòu)件之間相互振動和碰撞產(chǎn)生的輻射噪聲占發(fā)動機(jī)總噪聲的15%～20%，特別是油底殼與機(jī)體之間振動傳遞尤為顯著.[1-3]研究發(fā)動機(jī)油底殼的動態(tài)力學(xué)性能，對于提高油底殼動剛度，減少振動輻射噪聲，具有重要的現(xiàn)實意義.[4-5]

本文利用Abaqus對某型號發(fā)動機(jī)的油底殼進(jìn)行模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析，找到原始設(shè)計的結(jié)構(gòu)動剛度較小的部位，然后對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以改善結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性.

1動力學(xué)分析相關(guān)理論

1.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析可以分為解析模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析.用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣分別表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布，最終求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)稱為解析模態(tài)分析.實驗?zāi)B(tài)分析是利用實驗儀器得到頻響函數(shù)或者是脈沖傳遞函數(shù)，然后運(yùn)用參數(shù)識別方法求得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù).[6]本文利用解析模態(tài)分析方法來進(jìn)行研究.

模態(tài)分析理論基本假設(shè)為線性假設(shè)、時不變假設(shè)和可觀測性假設(shè).根據(jù)這3種基本假設(shè)可知：模態(tài)分析實際上是將微分方程組中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)，解耦方程組，并使其變成僅以模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)參數(shù)描述的方程，坐標(biāo)變換的變換矩陣為振型矩陣，其每列即為各階振型.由于模態(tài)變換屬于線性變換，所以可以由各階模態(tài)的疊加得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)的大小取決于各階模態(tài)的參與系數(shù).通常，低階模態(tài)的參與系數(shù)要高于高階模態(tài)的參與系數(shù)，所以通常取前幾階模態(tài)疊加就可以得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng).[7-8]

考慮Mx¨+Kx=0（1）假設(shè)其解為x=eiωt（2）代入特征方程K-ω2M=0（3）或Δ（K-λM）=0（4）式中：λ=ω2

對于N自由度系統(tǒng)，有N個固有頻率；與固有頻率對應(yīng)的特征向量稱為模態(tài)振型；當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，在任意時刻，結(jié)構(gòu)的形狀為它的模態(tài)的線性組合.

1.2頻率響應(yīng)分析理論基礎(chǔ)

頻率響應(yīng)分析是計算在穩(wěn)態(tài)激勵下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的方法.在頻率響應(yīng)分析中，激勵載荷是在頻域中明確定義的，所有外力在每一個指定頻率上是已知的.力的形式可以是外力，也可以是強(qiáng)迫運(yùn)動（位移、速度、加速度等）.計算結(jié)果通常包括節(jié)點(diǎn)位移、加速度、單元力和應(yīng)力等.

頻率響應(yīng)分析有兩類不同的數(shù)值方法可以選擇：直接法和模態(tài)法.直接法按照給定的頻率直接求解耦合的運(yùn)動方程；而模態(tài)法利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型來對耦合的運(yùn)動方程進(jìn)行縮減和解耦，同時由單個模態(tài)響應(yīng)的疊加得到某一給定頻率下的響應(yīng)結(jié)果.

頻率響應(yīng)分析需要考慮以下幾點(diǎn)[9]：

（1）如果激勵的最高頻率比系統(tǒng)的最低諧振頻率小得多，那么做靜力分析就足夠了.

（2）阻尼很小的結(jié)構(gòu)在激勵頻率接近于諧振頻率時，會表現(xiàn)出很大的動力響應(yīng).在這樣的響應(yīng)問題中，模型上一個小的改動就可能產(chǎn)生響應(yīng)上明顯的變化.

（3）如果希望對峰值響應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)測，必須使用足夠小的頻率步長.對每個半功率帶寬，至少需要使用5個點(diǎn).

（4）為了得到最大的效率，應(yīng)使用非均勻頻率步長.在諧振頻率區(qū)域使用較小的頻率步長，在離開諧振頻率的區(qū)域使用較大的頻率步長.

2原始模型及其動力學(xué)分析

有限元模型是有限元分析中的基礎(chǔ)，反映幾何模型在實際工作過程中的受力情況和結(jié)構(gòu)的力學(xué)關(guān)系，包括材料屬性、外部載荷和約束等信息.油底殼有限元模型見圖1.

有限元模型建立過程如下：

（1）所研究的油底殼是通過沖壓工藝而成型的，結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，厚度為1.6 mm，在SolidWorks中建立油底殼幾何模型，將三維幾何模型導(dǎo)入Abaqus中，由于結(jié)構(gòu)具有薄壁特征，采用殼單元進(jìn)行分析精度很高，故需要提取結(jié)構(gòu)中面，為有限元模型網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備.

（2）在油底殼實際工作過程中，法蘭和機(jī)體下表面通過螺栓連接在一起，故對螺栓連接處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束.

（3）油底殼材料為寶鋼DC06鋼材，彈性模量為2.06E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9 t/mm.

（4）由于模型特征較多，故采用Abaqus/Standard求解器中的S4R和S3兩種單元混合建模，其中S3起網(wǎng)格過渡作用.

2.1原始模型的模態(tài)分析

采用Abaqus/Standard求解器的Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)求解，提取結(jié)構(gòu)的前100階頻率.該方法對模型規(guī)模較大，所提取振型較多時，求解速度更快.

使用振型疊加法分析線性動態(tài)問題時，要保證頻率提取分析步中提取足夠數(shù)量的模態(tài)，以保證求解精度，判斷標(biāo)準(zhǔn)為在主要運(yùn)動方向上的總有效質(zhì)量要超過模型中可運(yùn)動質(zhì)量的90%.[10]模型總質(zhì)量為2.199 801E-3 t，由于受約束節(jié)點(diǎn)比例很小，可運(yùn)動質(zhì)量近似等于模型總質(zhì)量，z方向為主要運(yùn)動方向，有效質(zhì)量為2.071 480E-3 t，占可運(yùn)動質(zhì)量的比例為94%.因此，提取100階振型是足夠的.原始模型前6階固有頻率見表1；原始模型的前6階模態(tài)振型見圖2.由圖2可知前6階振動主要在油底殼底部大平面區(qū)域.在設(shè)計過程中應(yīng)該對底部區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理，提高結(jié)構(gòu)的振動性能.

2.2原始模型的頻率響應(yīng)分析

模態(tài)分析得到油底殼固有頻率和振型，但是要進(jìn)一步了解其動力學(xué)特性，需要進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng).

實際工作中油底殼受到的激勵是通過機(jī)體傳遞過來的，并且油底殼的剛度小于機(jī)體裙部，因此可以把油底殼和機(jī)體看成是非耦合系統(tǒng)[1-3].油底殼僅接受和機(jī)體連接的振動激勵，因此可以在螺栓孔位置施加激勵載荷.本文采用油底殼和機(jī)體連接處螺栓的多點(diǎn)垂向（z向）單位位移（1 mm）的激勵來替代實際的激勵，頻率響應(yīng)分析的頻域范圍為0～1 500 Hz，結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼因子取0.06.以模態(tài)分析為參考，選取2個具有代表意義的點(diǎn)作為參考點(diǎn).參考點(diǎn)位置見圖3；兩個觀察點(diǎn)z方向位移響應(yīng)見圖4.結(jié)果表明：觀察點(diǎn)1在289 Hz和852 Hz附近位移響應(yīng)達(dá)到峰值，分別由第1階和第6階模態(tài)振型引起.觀察點(diǎn)2在410 Hz和467 Hz附近位移響應(yīng)達(dá)到峰值，由第2階模態(tài)振型引起.

3優(yōu)化后的模型及對比分析

由于該結(jié)構(gòu)底部為大平面結(jié)構(gòu)，通過以上分析了解到，結(jié)構(gòu)的前幾階振動主要集中在底部，為增加底部剛度，在底部大平面加5根縱向加強(qiáng)筋，底部小平面加2根縱向加強(qiáng)筋和2個橫向小凸臺.以改善結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能.優(yōu)化后的油底殼模型見圖5.

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對比原始模型固有頻率，見圖6.前6階固有頻率分別提升55.610%，41.750%，18.053%，63.857%，27.865%和16.524%，說明加強(qiáng)筋對結(jié)構(gòu)整體剛度提升很大.

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，對比原始模型的z方向位移響應(yīng)，見圖7.

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在兩個觀察點(diǎn)峰值響應(yīng)出現(xiàn)時的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，說明底部動剛度改善很大，與模態(tài)分析結(jié)論一致.

4結(jié)束語

對某型號發(fā)動機(jī)油底殼進(jìn)行初步設(shè)計，從動力學(xué)角度分析結(jié)構(gòu)的動剛度，找到結(jié)構(gòu)較薄弱部位，對底部平面區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，增加7根加強(qiáng)筋和2個小凸臺.優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的動剛度改善很大，固有頻率提升顯著.在發(fā)動機(jī)不同頻率的激勵下，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值相比原始結(jié)構(gòu)在更高的頻率點(diǎn)出現(xiàn).該方法對油底殼的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)：

[1]方立橋. 油底殼加強(qiáng)筋和滾筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2013.

[2]張海娟. 發(fā)動機(jī)油底殼振動與噪聲輻射研究[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)， 2006.

[3]鄭光泰. 發(fā)動機(jī)鎂質(zhì)油底殼開發(fā)振聲特性研究及優(yōu)化設(shè)計[D]. 浙江： 浙江大學(xué)， 2008.

[4]袁兆成， 張亮， 方華， 等. 4118Z型柴油機(jī)油底殼模態(tài)與結(jié)構(gòu)分析[J]. 汽車工程， 2001， 23（3）： 156-159. DOI： 10.3321/j.issn：1000-680X.2001.03.004.YUAN Z C， ZHANG L， FANG H， et al. Modal analysis and structure analysis for oil-pan of 4118Z diesel engine[J]. Automotive Engineering， 2001， 23（3）： 156-159. DOI： 10.3321/j.issn：1000-680X.2001.03.004.

[5]倪偉. 發(fā)動機(jī)油底殼的設(shè)計探討[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動力裝置， 2012（2）： 51-53. DOI： 10.3969/j.issn.1673-6397.2012.02.014.

NI W. Discussion on engine oil pan design[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2012（2）： 51-53. DOI： 10.3969/j.issn.1673-6397.2012.02.014.

[6]崔寬. 含缺陷類桁架點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)振動性能分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014.

[7]曹樹謙， 張文德， 蕭龍翔. 振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析： 理論實驗與應(yīng)用[M]. 2版. 天津： 天津大學(xué)出版社， 2014： 1-50.

[8]胡海巖. 機(jī)械振動基礎(chǔ)[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2005： 1-6.

[9]田利思， 李相輝， 馬越峰， 等. MSC Nastran動力分析指南[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2012： 1-74.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006： 279-301.（編輯于杰）第25卷 第4期2016年8月計 算 機(jī) 輔 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.25 No.4Aug. 2016