發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

1、基于OptiStruct的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析張貝，黃鵬程，陳凱（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司、上海、201201）摘要:本文基于OptiStruct的模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析功能，分析了某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)振動(dòng)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并計(jì)算了節(jié)氣門體的加速度峰值。文章首先介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn) 氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法，然后通過(guò)對(duì)比三種進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，討論了不同的支架設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)氣歧 管和節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)性能的影響，為設(shè)計(jì)開發(fā)提供了合理的建議，最后通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：OptiStruct進(jìn)氣歧管節(jié)氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)Abstract： Applying OptiStructs modal analysis an

2、d steady state dynamic analysis, the paper is analyzed the dynamic stress of intake manifold & throttle body under vibration acceleration of physical test. The theory of steady state dynamic analysis was introduced at first, then the paper compared the vibration performance of three intake manifold

3、design, and at last the best design was suggested by the paper. The analysis was validated by physical test.Key words： OptiStruct, Intake Manifold, Throttle body, Dynamic response引言進(jìn)氣系統(tǒng)是指將空氣或者混合氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的零部件集合，包含進(jìn)氣岐管、節(jié)氣門、 進(jìn)氣門機(jī)構(gòu)等。進(jìn)氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥、溫度適當(dāng)?shù)目諝膺M(jìn)行燃燒，以最 大限度的降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損并保持最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，在合理的保養(yǎng)間隔內(nèi)有效的過(guò)

4、濾灰塵并保 持進(jìn)氣阻力在規(guī)定的限制內(nèi)。由于進(jìn)氣端的溫度較低，復(fù)合材料開始成為熱門的進(jìn)氣岐管材質(zhì)，其質(zhì)輕而內(nèi)部光滑，能 有效減小阻力，增加進(jìn)氣的效率。然而，因?yàn)檩p量復(fù)合材料的使用，使進(jìn)氣系統(tǒng)的固有頻率比 金屬進(jìn)氣岐管低，因此需要校核進(jìn)氣岐管在工作狀態(tài)下的強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)氣門體需要滿足振動(dòng)加 速度的要求。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目為例，對(duì)塑料進(jìn)氣岐管和節(jié)氣門體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。在某轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的開發(fā)早期，為校核進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定節(jié)氣門體的支架設(shè) 計(jì)方案，通過(guò)CAE分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)各種預(yù)備方案下，進(jìn)氣歧管本體的強(qiáng)度和節(jié)氣門體 的振動(dòng)加速度，以為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。開發(fā)階段的后期，通過(guò)試驗(yàn)與CAE仿真

5、結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證 了分析方法的可行性。圖1.進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖仿真模型與邊界條件2.1仿真思路首先，通過(guò)模態(tài)計(jì)算檢驗(yàn)三個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)模型的固有頻率是否能達(dá)到目標(biāo)值。如果模態(tài)能滿足要 求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)總體剛度具有一定余量，無(wú)須進(jìn)行后續(xù)動(dòng)態(tài)計(jì)算；如果模態(tài)不能滿足要求，則進(jìn) 行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，校核結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和振動(dòng)加速度，并進(jìn)行優(yōu)化，選擇一個(gè)能達(dá)到目標(biāo)的方案。 具體仿真流程見(jiàn)圖2。圖2.仿真流程基于模態(tài)疊加法的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)介基于模態(tài)疊加法的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的思路是：先提取無(wú)阻尼系統(tǒng)的特征模態(tài)，通過(guò)變換使系統(tǒng) 解耦，得到一組用模態(tài)坐標(biāo)表示的單自由度運(yùn)動(dòng)方程。求解各單自由度運(yùn)動(dòng)方程得到系統(tǒng)在模 態(tài)坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)后

6、，通過(guò)變換獲得系統(tǒng)在物理坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，簡(jiǎn)要介紹如下。對(duì)于多自由度系統(tǒng)，如果考慮粘性阻尼，則其受迫振動(dòng)的微分方程為：MU + Cii + Ku = f (t)(1)設(shè)已解出系統(tǒng)的各階固有頻率為，,.,和各階主振型為。，。,.,。，因?yàn)橹髡裥偷恼?12n12n性，可以證明主振型是線性無(wú)關(guān)的。因此，對(duì)于n個(gè)自由度系統(tǒng)的任何振動(dòng)形式，都可以表示 為這n個(gè)正交的主振型的線性組合，即存在常數(shù)& 1，,., &n，使：寫成矩陣形式為:n,、u = z EO (2)i ij=1u = EO (3)上式就是展開定理，用模態(tài)疊加法求系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)就是建立在展開定理的基礎(chǔ)上。根據(jù)展開定理，對(duì)方程（1）實(shí)行坐標(biāo)變

7、換，再用模態(tài)矩陣的轉(zhuǎn)置O T前乘方程的兩邊，得：OTmOE，+ O t cOE + OT kOE = OT f。)若系統(tǒng)為比例阻尼，可用正交條件使上述方程解耦，變?yōu)橐幌盗邢嗷オ?dú)立的方程組:ME + C E, + KE = f (5)其中，M , C , K都是對(duì)角陣，它們的對(duì)角線元素分別為:)c = OTCO2 = k / mi = 1,2,., n廣義力為:=O : fG)這樣，方程組（5）可以寫為:i = 1,2,., n (6)這是n個(gè)相互獨(dú)立的單自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，每一個(gè)方程都可以按單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)理論 去求解。從方程（6）中解得E.后，再將其代入方程（2）求得廣義坐標(biāo)u的解。下面

8、以簡(jiǎn)諧激 勵(lì)為例說(shuō)明。若f.為簡(jiǎn)諧激勵(lì)，即:（7）設(shè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為:三=a ejs （8）將（8）代入方程（6）,可以解得:在&解出后，代入式（2），解得u。i上述即為用模態(tài)疊加法做動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的簡(jiǎn)要過(guò)程。2.3有限元模型本文中討論了三種進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分別命名為模型A、B、C。其中，方案A的包含 進(jìn)氣歧管和節(jié)氣門體；模型8在人的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)裝配在缸蓋上的節(jié)氣門體支架；模型C 在A的基礎(chǔ)上，包含一個(gè)裝配在凸輪軸罩蓋上的節(jié)氣門體支架，如圖3所示。其中，節(jié)氣門體 材料為鑄鋁，進(jìn)氣岐管材料為塑料。M* A tnoulkicdel D rtilh tm點(diǎn) bracketMc-dd C 商出

9、 ar山twr brnckd圖3.三種計(jì)算方案的CAD與CAE模型2.4邊界條件（1） 固定約束邊界條件：在模態(tài)分析中，對(duì)三個(gè)模型都需要約束進(jìn)氣歧管法蘭面上與缸 蓋相連的螺栓孔；另外，對(duì)模型B和C，要分別約束住支架固定到缸蓋或凸輪軸 罩蓋上的螺栓孔。（2）臺(tái)架實(shí)驗(yàn)激勵(lì)：在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析中，對(duì)步驟（1）中的約束點(diǎn)施加由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得的加速度激勵(lì)曲線，如圖4。圖4.臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得進(jìn)氣歧管法蘭面上激勵(lì)（橫軸為頻率，縱軸為加速度）2.5 計(jì)算工況（1）通過(guò)模態(tài)分析，獲得各模型在約束狀態(tài)下的固有頻率。（2）而后基于模態(tài)分析的結(jié)果做穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。計(jì)算結(jié)果及分析3.1模態(tài)分析結(jié)果各模型的模態(tài)計(jì)算結(jié)果為：在對(duì)應(yīng)階

10、次上，方案C的固有頻率大于B，而方案B的大于方案A， 即增加支架提高了系統(tǒng)的剛度。各模型的第一階模態(tài)結(jié)果如圖5所示，其中模型B的第一階固 有頻率比模型A高10Hz，模型C的第一階固有頻率比模型B的第一階固有頻率高20Hz。但 三個(gè)模型的第一階固有頻率都遠(yuǎn)小于目標(biāo)值，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，校核工作狀 態(tài)下零件的安全性。模T頃冷帶-階模芯憧型nil。尼階股態(tài)圖5.各方案的第一階模態(tài)振型模型c -階段志節(jié)氣門體上的加速度響應(yīng)各模型節(jié)氣門體上最大加速度點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖中可知，模型B的響應(yīng)峰 值最大，同時(shí)模型B和模型C的加速度響應(yīng)峰值均大于模型A的峰值。分析模型B可知，其 包

11、含一個(gè)裝配在缸蓋上的支架，而缸蓋正好是一個(gè)激勵(lì)源，因此導(dǎo)致節(jié)氣門體上的加速度增大 而模型C也是同樣的原因。模型A、B、C均是在其對(duì)應(yīng)的第三階頻率附近出現(xiàn)相應(yīng)峰值，其原因是：各模型的第三階模 態(tài)的振型主要表現(xiàn)為在Z方向的振動(dòng)，而外界激勵(lì)也是在Z方向數(shù)值最大，二者吻合時(shí)出現(xiàn)響 應(yīng)最大峰值。從模態(tài)分析結(jié)果可知，模型A、B、C的剛度依次增大，因此對(duì)應(yīng)出現(xiàn)峰值的頻 率段也依次靠后。對(duì)比加速度的峰值可知，方案A的振動(dòng)加速度最小，能滿足節(jié)氣門體對(duì)加 速度的要求，因此優(yōu)先選用該方案。后期通過(guò)試驗(yàn)表明，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。Fluency圖6.各模型節(jié)氣門體上最大加速度點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線=3氏節(jié)氣門陣上雄*打說(shuō)

12、磨點(diǎn)的餉路宙眼5匚掙無(wú)岳-田是進(jìn)氣岐管本體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力各模型進(jìn)氣歧管本體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖7所示，模型A、B、C均是在其相應(yīng)的第三階 固有頻率附近出現(xiàn)相應(yīng)峰值，其原因也與上相同：各模型的第三階模態(tài)的振型主要體現(xiàn)為在Z 方向的振動(dòng)，而外界激勵(lì)也是在Z方向數(shù)值最大，所以，對(duì)各模型而言，其第三階固有頻率附 近的響應(yīng)峰值會(huì)大于其它階固有頻率附近的響應(yīng)峰值。圖7.各模型進(jìn)氣歧管上最大主應(yīng)力點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線4.結(jié)語(yǔ)本文介紹了利用OptiStruct分析進(jìn)氣系統(tǒng)中進(jìn)氣歧管動(dòng)態(tài)應(yīng)力、節(jié)氣門體振動(dòng)加速度的過(guò)程， 討論了三種進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的響應(yīng)結(jié)果，通過(guò)分析可知： （1）對(duì)節(jié)氣門體振動(dòng)加速度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，帶支架的兩種設(shè)計(jì)方案即模型B、C的響應(yīng)較模型A （不帶支架的設(shè)計(jì)方案）大，因?yàn)橹Ъ苓B接在激勵(lì)源上。因此，建議取消節(jié)氣門體與缸 蓋之間的連接，該分析結(jié)果與后期