潘公宇，胡云驄，王功強

（1.330013江西省 南昌市 江西省汽車噪聲與振動重點實驗室（江鈴汽車股份有限公司）；2.212013江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

與橡膠懸置相比，液壓懸置有良好的頻變動特性，現(xiàn)在被廣泛使用。動特性是液壓懸置研究的主要方向。目前，對于動特性的研究大多使用建立鍵合圖或集總參數(shù)模型的方法[1]，該方法雖然較為簡潔，但因為分析過程不夠直觀，研究者無法透徹了解液壓懸置工作時其內(nèi)部液體的運動狀態(tài)，且簡化和假設(shè)的條件較多，分析結(jié)果的精度不足。液固耦合仿真方法適用于研究變形固體在流場作用下的運動變化以及固體位形對流場影響，切合液壓懸置的實際工作狀態(tài)，適合用于對液壓懸置動特性的研究[2]。

本文建立了液壓懸置液固耦合模型，并對其動特性進行了仿真分析，在此基礎(chǔ)上整理歸納了對動特性影響較為明顯的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化了解耦盤的結(jié)構(gòu)尺寸，改善了該液壓懸置的動特性。

1 液固耦合模型的建立

1.1 液壓懸置結(jié)構(gòu)與工作原理

液壓懸置結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動機支架與懸置用螺栓連接件剛性連接，材料為鋁合金。橡膠主簧起承載作用，材料為天然橡膠，硬度為肖氏硬度45，總高為105 mm，主簧下表面有效面積30 cm2，橋體角度60°。外殼體材料為一般用冷軋?zhí)间摫“濉T性通道長度為210 mm，截面積72 cm2。解耦盤直徑40 mm,厚度3 mm，表面橡膠凸臺寬度6 mm。底膜厚度2.5 mm，材料為天然橡膠，硬度為肖氏硬度55。

圖1 液壓懸置模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Model structure of hydraulic mount

該液壓懸置分為上、下兩個液腔，中間利用慣性通道、解耦盤、蓋板進行分隔。當(dāng)上端受到低頻大振幅激勵時，解耦盤運動過程中會被緊壓在慣性通道外壁處，此時，液體只能通過慣性通道流動，使得液壓懸置整體表現(xiàn)出高剛度和大阻尼的特性[3]。當(dāng)受到高頻小振幅激勵時，液體可以通過解耦盤在上、下液腔中流動，慣性通道內(nèi)液體由于自身慣性力的作用幾乎不流動，液壓懸置整體表現(xiàn)出較小的剛度和阻尼。

1.2 液固耦合有限元預(yù)處理

首先在HyperMesh軟件中進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 液壓懸置固、液網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Solid &liquid meshing diagram of hydraulic mount

圖2中，固體網(wǎng)格使用連續(xù)體單元和板殼單元。各個子部件選用Chexa連續(xù)體單元，屬于8節(jié)點單元的一種，每個節(jié)點上包含3個平移方向的自由度。網(wǎng)格大小設(shè)定為2 mm，細節(jié)尺寸處進行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格大小設(shè)定為0.5 mm。液體網(wǎng)格可通過提取固體網(wǎng)格表面旋轉(zhuǎn)填充的方法獲得[4]。固體與液體接觸位置的網(wǎng)格類型為板殼單元并進行共節(jié)點處理[5]。

將劃分好網(wǎng)格的文件以Nastran求解格式導(dǎo)入ADINA進行相關(guān)設(shè)定。橡膠主簧、解耦盤和底膜選用Mooney-Rivlin橡膠模型，外殼體、螺栓連接件、慣性通道、上蓋板設(shè)置為壁面。將外殼體部分設(shè)定為全約束。預(yù)載力與激勵采用時間函數(shù)控制。液體初始粘度為5.6 mPa·s，初始密度設(shè)定為1.02 g/cm3。固體、液體網(wǎng)格需分別設(shè)置液固耦合面，分別是上液腔內(nèi)橡膠主簧內(nèi)側(cè)表面、解耦盤表面、橡膠底膜上表面[5]。處理完的模型如圖3所示。

圖3 液壓懸置預(yù)處理圖Fig.3 FEM pretreatment of hydraulic mount

2 動特性仿真

使用ADINA的FSI模塊對處理好的模型進行動特性仿真，懸置預(yù)載條件設(shè)定為900 N，激振振幅為1 mm，頻率范圍0～50 Hz，動特性仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 液壓懸置0～50 Hz動特性曲線Fig.4 Dynamic characteristic curves of hydraulic mount in 0～50 Hz frequency stage

從仿真的結(jié)果來看，15～22 Hz時，動剛度明顯增大，在22 Hz處到達峰值，這是由于慣性通道內(nèi)液體的共振引起的，而后動剛度隨頻率的增加緩慢減小。滯后角先隨著頻率的增加而增加，在15 Hz左右處達到峰值后慢慢減小，最終趨于穩(wěn)定值。引起駕駛者不適的主要振動頻率在10～12 Hz之間，因為該頻率與人體內(nèi)的多個臟器器官的固有頻率較為接近，當(dāng)車輛所受振動處于該頻率范圍內(nèi)時，人體內(nèi)部器官會因共振引起駕乘者頭暈、惡心等不適。因此，理想的液壓懸置應(yīng)保證其滯后角峰值頻率處于10～12 Hz之間[4]。四缸發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速范圍是600～900 r/min，其對應(yīng)的二階激振頻率通常為20～30 Hz，為了減少在該頻率下由液壓懸置傳遞到駕駛艙內(nèi)的振動，要求所設(shè)計的液壓懸置動剛度峰值頻率在20 Hz以下，以此標(biāo)準(zhǔn)來看，需要對該液壓懸置的動特性進行進一步的優(yōu)化。

3 相關(guān)參數(shù)對動特性影響的分析

3.1 預(yù)載

圖5為液壓懸置在受激勵振幅為1 mm不同預(yù)載時的動特性曲線。從仿真結(jié)果來看，動剛度變化趨勢與預(yù)載的變化呈非線性的關(guān)系，預(yù)載950 N時的峰值動剛度最大，900 N時最小，并且預(yù)載幾乎不影響峰值動剛度所出現(xiàn)的頻率。而滯后角的變化則較為有規(guī)律，預(yù)載越大，滯后角峰值也越大。

圖5 不同預(yù)載下的動特性曲線Fig.5 Characteristic curve of different pre-load

3.2 激勵振幅

圖6為液壓懸置受預(yù)載為900 N時在不同激勵振幅條件下的動特性。從仿真結(jié)果來看，動剛度和滯后角會隨著激勵振幅的增加在不同的頻率范圍內(nèi)有著不同程度的減小，特別是峰值頻率處的變化較為明顯；另一方面，動剛度和滯后角峰值頻率幾乎不受振幅變化的影響。

圖6 不同振幅下的動特性曲線Fig.6 Characteristic curve of different amplitude

3.3 慣性通道截面積

圖7為不同慣性通道截面積時的動特性。從仿真結(jié)果來看，動剛度的峰值頻率與大小會隨著慣性通道截面積的增加而增加，滯后角的變化趨勢與動剛度變化趨勢一致。綜合來看，慣性通道截面積大小在不同頻率段對動特性的影響是不同的，在低于動剛度以及滯后角峰值頻率的頻率范圍內(nèi)，動剛度與滯后角的大小都隨著截面積的增加而減小，在高于峰值頻率以后的頻率段，其變化趨勢相反。

圖7 不同慣性通道截面積下的動特性曲線Fig.7 Characteristic curve of different inertial channel crosssectional area

3.4 慣性通道長度

圖8為不同慣性通道長度下的動特性。從仿真結(jié)果看，慣性通道長度變化對動特性有較明顯的影響。隨著慣性通道長度的增加，動剛度峰值大小和峰值頻率都會有不同程度的減少，動剛度峰值變化程度小，動剛度峰值頻率的變化范圍在2～3 Hz；滯后角峰值大小變化較為明顯，隨著慣性通道長度的增加，滯后角峰值大小也增加。之后較峰值頻率的變化趨勢與動剛度一致，變化范圍也幾乎相等。慣性通道長度對動特性的影響在各頻率段均有所不同。在0～20 Hz頻率段，動剛度大小隨慣性通道長度的增加而減小，但在20～50 Hz頻率段則相反的變化趨勢。滯后角在17～20 Hz隨其增大而減小，其余頻率段呈現(xiàn)相反趨勢。

圖8 不同慣性通道長度下的動特性曲線Fig.8 Characteristic curve of different inertial channel length

利用液固耦合法的便利性，進一步對液體的流速進行了仿真，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同慣性通道長度下液體流速圖Fig.9 Fluid flow velocity diagram of different inertial channel lengths

從結(jié)果可以看出，慣性通道長度的變化對液體流速的影響較為明顯。慣性通道越長，解耦盤處的液體流速越大，1倍長度時，解耦判處的液體平均流速為2 250 mm/s，1.5倍時，該處平均流速為2 750 mm/s，2倍長度時，該處流速可達到3 250 mm/s。這是因為由于慣性通道的長度增加，其液柱的質(zhì)量增加，液柱慣性力增加導(dǎo)致流速降低。上液腔因為主簧變形所引起的液腔容積變化是一定的，相同時間內(nèi)，從上液腔流入下液腔的液體量一定，因此，從解耦盤通孔處通過的液體數(shù)量會增加，表現(xiàn)為解耦盤處的液體流速提高。結(jié)合液體流速分布云圖以及動特性變化曲線可知，提高解耦盤處的液體流速可以在一定的頻率范圍內(nèi)降低動剛度峰值頻率和動剛度峰值的大小。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該液壓懸置動特性需要進行進一步的改善：（1）動剛度峰值頻率需要降低；（2）峰值頻率后的動剛度盡可能小；（3）滯后角峰值頻率需要降低。根據(jù)對各項參數(shù)的分析，適當(dāng)增加慣性通道的長度有助于改善其動特性，但在實際工程運用中，增長慣性通道會影響整個懸置的結(jié)構(gòu)尺寸，不利于發(fā)動機艙內(nèi)的空間排布。因此，可以增加解耦盤處流速來達到同樣的效果，可通過調(diào)整解耦盤的外徑來實現(xiàn)，如圖10所示。

圖10 不同解耦盤直徑下懸置動剛度及滯后角Fig.10 Characteristic of different membrane size

從結(jié)果來看，增大解耦盤的直徑可有效改善動特性。使用直徑為50 mm解耦盤的液壓懸置，動剛度峰值頻率為17 Hz，與使用原始尺寸40 mm的解耦盤相比，動剛度峰值頻率降低了3 Hz左右，滯后角峰值頻率為11 Hz，也有一定的改善。綜合考慮空間與成本，將解耦盤直徑定為50 mm?？紤]到解耦盤處液體流速增加，解耦盤表面的液體瞬時的沖擊壓力會變大，為了防止解耦盤上下振動幅度過大，同時增大了解耦盤表面橡膠凸臺之間的間隔縫隙，并提高了其橡膠硬度。優(yōu)化后的解耦盤結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 解耦盤結(jié)構(gòu)改進前后三維模型對比Fig.11 Comparison of membrane after improvement

對使用改進結(jié)構(gòu)解耦盤的液壓懸置進行動特性分析，液固耦合仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 解耦盤結(jié)構(gòu)改進前后懸置動剛度及滯后角Fig.12 Characteristic of mount after membrane improvement

從仿真結(jié)果來看，新的液壓懸置在20～50 Hz的動剛度得到了大幅降低。從動剛度均值來看，使用原始結(jié)構(gòu)解耦盤的液壓懸置在20～50 Hz頻率區(qū)間的動剛度均值為211.6 N/mm，使用新結(jié)構(gòu)解耦盤的液壓懸置在該頻率區(qū)間的動剛度均值為196.5 N/mm，降低幅度為7%，動特性改善明顯。新的解耦盤結(jié)構(gòu)使得懸置腔內(nèi)液體在流動時流速分布更加合理，使用改善結(jié)構(gòu)解耦盤的液壓懸置動剛度滿足了動特性設(shè)計要求，滯后角峰值頻率也滿足了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

針對使用傳統(tǒng)方法研究液壓懸置動特性時過程抽象、無法直觀了解其內(nèi)部液體流動情況的不足，本文使用ADINA軟件，建立了慣性通道解耦盤式液壓懸置液固耦合有限元分析模型，采用液固耦合仿真方法，對該懸置的動特性進行了仿真分析，通過研究各項參數(shù)變化對懸置動特性的影響，并結(jié)合液體的工作狀態(tài)，優(yōu)化了現(xiàn)有的解耦盤結(jié)構(gòu)，最后通過仿真驗證了其改善效果。后續(xù)研究將結(jié)合實驗，并考慮溫度對橡膠與液體的影響，進一步提高分析模型的準(zhǔn)確度，提高設(shè)計效率，降低開發(fā)成本。