论文部分内容阅读
发动机悬置支架动刚度对车辆的噪声-振动-平顺性（NVH）性能有着重要影响。介绍了动刚度分析原理，利用ABAQUS软件对某重型发动机前悬置支架进行动刚度分析。针对局部频率点的动刚度响应较大的问题，对悬置支架及发动机机体局部结构进行了优化。通过计算，优化后的悬置支架动刚度响应结果满足评价要求。该研究对悬置支架动刚度设计和计算具有一定的指导意义。
发动机;悬置支架;动刚度
0 前言
噪声-振动-平顺性（NVH）性能是影响汽车舒适性的重要评价指标之一。作为汽车最主要振动激励源的动力总成悬置的隔振性能对整车的NVH性能有着直接影响。在动力总成悬置系统设计时，研究人员不仅需要关注悬置软垫的隔振性能，还应关注悬置支架的刚性是否足够。悬置支架的刚性通常通过悬置支架的模态频率和悬置支架接附点动刚度（IPI）进行评价[1-4]。本文对某重型发动机前悬置支架接附点进行了分析，发现其动刚度小于设计标准值，可能导致NVH性能下降。研究人员通过对支架结构进行优化，提高了支架的动刚度，满足了设计要求。
1 动刚度分析
动刚度分析是评价车身和发动机悬置支架接附点NVH性能的重要方法。静刚度是结构产生单位位移所需外力，其为常数，表征了结构抵抗变形的能力。动刚度是结构产生单位振幅所需的动态外力，表征了结构在动态载荷下抵抗变形的能力。该动态力不是常数，而是随着频率变化的函数[4-6]。
研究人员在进行动刚度分析时，需要对支架的接附点（即悬置支架与悬置软垫连接点）施加某一频率范围内的单位力，同时输出接附点的加速度响应，由此得到接附点在分析频率范围内的加速度导纳IPI。通常产品开发时都会设定动刚度设计目标值 K ，由此可以计算得出在不同频率 f 下的加速度响应曲线目标值 X ，如式1所示。
X¨（t）=（2πf）2K（1）
在工程上，习惯将IPI的加速度相应曲线与目标曲线进行对比，以评价在整个分析频域范围内的悬置支架接附点动刚度性能。
2 某重型发动机悬置安装动刚度分析
2.1 有限元网格模型
某重型发动机主要匹配商用车。在设计初期，为了考察其前悬置接附点的动刚度性能，研究人员利用有限元仿真分析方法进行了IPI分析。通常，发动机机体裙部及周边零部件对悬置支架接附点动刚度均会产生影响。相关有限元模型包括了气缸体、油底壳、油封座、前悬置支架、螺栓等零件。研究人员用西门子NX软件建立分析支架的计算机辅助设计（CAD）模型，将CAD模型导入HyperWorks软件中的Hypermesh模块，进行网格划分，并对前悬置支架及连接区域附近的有限元网格进行局部细化，以提高仿真分析精度;然后，将网格文件导入ABAQUS有限元分析软件进行建模，施加载荷，约束边界，求解和后处理。网格模型规格采用C3D10M，密度取7 500 kg/m3，弹性模量取170 GPa，泊松比为0.3。有限元网格模型如图1所示。
2.2 模型设置
研究人员在机体、油底壳、油封座与前悬置支架结合面之间建立接触副，螺栓使用tie约束条件进行连接，并在悬置软垫上端面中心建立参考点，将参考点与悬置支架与悬置软垫安装接触的端面之间建立Coupling约束条件。参考点代表了悬置支架接附点位置的受载情况和运动响应情况。
研究人员在ABAQUS软件中采用基于模态叠加法的稳态动力学开展悬置接附点的相应分析。一般需要关注悬置支架1 000 Hz以内的动刚度，因此研究人员将响应分析频率范围设置为0～1 000 Hz。在开展响应分析之前，研究人员需要对模型进行自由模态计算，分析频率为0～2 000 Hz。在响应分析时，研究人员依次在悬置支架参考点的 X、Y、Z 方向上施加1 N的单位载荷，同时输出参考点的 X、Y、Z 向加速度的响应结果。
2.3 计算结果分析
在有限元分析完成后，研究人员依次提取参考点的 X、Y、Z 向加速度的响应结果。有相关文献表示，动刚度的目标值一般设定在5 000～10 000 N/mm，且各向的动刚度设计目标会有所差异[4-6]。本文对发动机悬置接附点 X、Y、Z 向的动刚度目標 K 设定为大于等于10 000 N/mm，根据（1）式计算可以得到频率 f 在0～1 000 Hz范围内，动刚度为10 000 N/mm时对应的IPI评价标准曲线（图2）。
如图2所示，为使IPI评价标准曲线更为平滑，研究人员对纵坐标取了对数。在理论上，悬置接附点的IPI曲线应小于标准值对应的IPI曲线，这样才能保证悬置支架接附点收到单位载荷作用下的加速度响应幅值小于标准值。在图2中，在分析频率范围内， Y 向IPI曲线小于标准值曲线，但 X 向和 Z 向局部频率点的IPI曲线超过了标准值曲线。发动机在运转时，在这些频率点附近容易出现振动超标，因此需要对机体和前悬支架进行结构优化。
3 结构优化及结果
3.1 优化方案
图3为机体和前悬支架在超标频率点的模态振型。由图3可见，相对振幅较大的除了支架本身外，还有机体裙部的振型。因此，优化方案为针对悬置支架和机体裙部结构进行局部加强，以提高其刚度。
如图4所示，研究人员在机体裙部增加了加强筋和气缸体加强板，以提高机体裙部刚性。通过将安装上悬置的2个螺孔由筋条连接起来，同时增加1条竖直的筋条，发动机整体结构得到了支撑。同时，悬置支架与机体连接的法兰半径增加了1 mm。2处结构的改变引起机体质量增加0.23 kg。
3.2 优化后IPI分析
研究人员对优化后的几何模型重新进行了划分网格，建立仿真分析模型。经过计算得到优化后的IPI曲线如图5所示。由图5可见，优化后悬置支架接附点的IPI响应曲线均小于目标值。这说明优化方案是有效的，优化后的悬置支架接附点动刚度满足设计要求。
4 结论
悬置支架接附点的动刚度对车辆NVH性能有着直接影响。研究人员采用IPI分析方法对某重型发动机悬置支架进行动刚度分析，发现分析频域范围内存在局部IPI响应峰值超出目标值，可能存在NVH性能影响。通过分析问题频率点附近的模态振型，研究人员确定发动机悬置支架和裙部模态刚度较弱，并对悬置支架和发动机机体裙部结构进行了改进。优化后的悬置接附点IPI满足设计目标，有效规避了后期发动机配套NVH性能的影响。该研究有助于相关悬置支架动刚度的设计和计算。
[1]赵敬，苏辰，刘鹏，等.汽车悬置支架动刚度对车身NVH性能影响的分析[J].汽车工程师，2019（5）：50-51，59.
[2]周安勇，侯蕾，刘旌扬.白车身接附点动刚度优化设计[J].汽车技术，2013（6）：16-19.
[3]葛磊，胡淼，孙后青.某轿车前副车架动刚度性能研究[J].新技术新工艺，2021（3）：67-69.
[4]吴志佳，杨金秀，钟建强，等.基于某车型提升右悬置动刚度的车身结构优化设计[J].汽车设计，2018（12）：87-88.
[5]林锦智，曾锋，翁璟.动力总成悬置支架IPI分析与结构优化[J].机电技术，2021（2）：64-67.
[6]李传峰，王军杰.动力总成悬置点动刚度分析及优化[J].农业装备与车辆工程，2012（8）：42-44.
发动机;悬置支架;动刚度
0 前言
噪声-振动-平顺性（NVH）性能是影响汽车舒适性的重要评价指标之一。作为汽车最主要振动激励源的动力总成悬置的隔振性能对整车的NVH性能有着直接影响。在动力总成悬置系统设计时，研究人员不仅需要关注悬置软垫的隔振性能，还应关注悬置支架的刚性是否足够。悬置支架的刚性通常通过悬置支架的模态频率和悬置支架接附点动刚度（IPI）进行评价[1-4]。本文对某重型发动机前悬置支架接附点进行了分析，发现其动刚度小于设计标准值，可能导致NVH性能下降。研究人员通过对支架结构进行优化，提高了支架的动刚度，满足了设计要求。
1 动刚度分析
动刚度分析是评价车身和发动机悬置支架接附点NVH性能的重要方法。静刚度是结构产生单位位移所需外力，其为常数，表征了结构抵抗变形的能力。动刚度是结构产生单位振幅所需的动态外力，表征了结构在动态载荷下抵抗变形的能力。该动态力不是常数，而是随着频率变化的函数[4-6]。
研究人员在进行动刚度分析时，需要对支架的接附点（即悬置支架与悬置软垫连接点）施加某一频率范围内的单位力，同时输出接附点的加速度响应，由此得到接附点在分析频率范围内的加速度导纳IPI。通常产品开发时都会设定动刚度设计目标值 K ，由此可以计算得出在不同频率 f 下的加速度响应曲线目标值 X ，如式1所示。
X¨（t）=（2πf）2K（1）
在工程上，习惯将IPI的加速度相应曲线与目标曲线进行对比，以评价在整个分析频域范围内的悬置支架接附点动刚度性能。
2 某重型发动机悬置安装动刚度分析
2.1 有限元网格模型
某重型发动机主要匹配商用车。在设计初期，为了考察其前悬置接附点的动刚度性能，研究人员利用有限元仿真分析方法进行了IPI分析。通常，发动机机体裙部及周边零部件对悬置支架接附点动刚度均会产生影响。相关有限元模型包括了气缸体、油底壳、油封座、前悬置支架、螺栓等零件。研究人员用西门子NX软件建立分析支架的计算机辅助设计（CAD）模型，将CAD模型导入HyperWorks软件中的Hypermesh模块，进行网格划分，并对前悬置支架及连接区域附近的有限元网格进行局部细化，以提高仿真分析精度;然后，将网格文件导入ABAQUS有限元分析软件进行建模，施加载荷，约束边界，求解和后处理。网格模型规格采用C3D10M，密度取7 500 kg/m3，弹性模量取170 GPa，泊松比为0.3。有限元网格模型如图1所示。
2.2 模型设置
研究人员在机体、油底壳、油封座与前悬置支架结合面之间建立接触副，螺栓使用tie约束条件进行连接，并在悬置软垫上端面中心建立参考点，将参考点与悬置支架与悬置软垫安装接触的端面之间建立Coupling约束条件。参考点代表了悬置支架接附点位置的受载情况和运动响应情况。
研究人员在ABAQUS软件中采用基于模态叠加法的稳态动力学开展悬置接附点的相应分析。一般需要关注悬置支架1 000 Hz以内的动刚度，因此研究人员将响应分析频率范围设置为0～1 000 Hz。在开展响应分析之前，研究人员需要对模型进行自由模态计算，分析频率为0～2 000 Hz。在响应分析时，研究人员依次在悬置支架参考点的 X、Y、Z 方向上施加1 N的单位载荷，同时输出参考点的 X、Y、Z 向加速度的响应结果。
2.3 计算结果分析
在有限元分析完成后，研究人员依次提取参考点的 X、Y、Z 向加速度的响应结果。有相关文献表示，动刚度的目标值一般设定在5 000～10 000 N/mm，且各向的动刚度设计目标会有所差异[4-6]。本文对发动机悬置接附点 X、Y、Z 向的动刚度目標 K 设定为大于等于10 000 N/mm，根据（1）式计算可以得到频率 f 在0～1 000 Hz范围内，动刚度为10 000 N/mm时对应的IPI评价标准曲线（图2）。
如图2所示，为使IPI评价标准曲线更为平滑，研究人员对纵坐标取了对数。在理论上，悬置接附点的IPI曲线应小于标准值对应的IPI曲线，这样才能保证悬置支架接附点收到单位载荷作用下的加速度响应幅值小于标准值。在图2中，在分析频率范围内， Y 向IPI曲线小于标准值曲线，但 X 向和 Z 向局部频率点的IPI曲线超过了标准值曲线。发动机在运转时，在这些频率点附近容易出现振动超标，因此需要对机体和前悬支架进行结构优化。
3 结构优化及结果
3.1 优化方案
图3为机体和前悬支架在超标频率点的模态振型。由图3可见，相对振幅较大的除了支架本身外，还有机体裙部的振型。因此，优化方案为针对悬置支架和机体裙部结构进行局部加强，以提高其刚度。
如图4所示，研究人员在机体裙部增加了加强筋和气缸体加强板，以提高机体裙部刚性。通过将安装上悬置的2个螺孔由筋条连接起来，同时增加1条竖直的筋条，发动机整体结构得到了支撑。同时，悬置支架与机体连接的法兰半径增加了1 mm。2处结构的改变引起机体质量增加0.23 kg。
3.2 优化后IPI分析
研究人员对优化后的几何模型重新进行了划分网格，建立仿真分析模型。经过计算得到优化后的IPI曲线如图5所示。由图5可见，优化后悬置支架接附点的IPI响应曲线均小于目标值。这说明优化方案是有效的，优化后的悬置支架接附点动刚度满足设计要求。
4 结论
悬置支架接附点的动刚度对车辆NVH性能有着直接影响。研究人员采用IPI分析方法对某重型发动机悬置支架进行动刚度分析，发现分析频域范围内存在局部IPI响应峰值超出目标值，可能存在NVH性能影响。通过分析问题频率点附近的模态振型，研究人员确定发动机悬置支架和裙部模态刚度较弱，并对悬置支架和发动机机体裙部结构进行了改进。优化后的悬置接附点IPI满足设计目标，有效规避了后期发动机配套NVH性能的影响。该研究有助于相关悬置支架动刚度的设计和计算。
[1]赵敬，苏辰，刘鹏，等.汽车悬置支架动刚度对车身NVH性能影响的分析[J].汽车工程师，2019（5）：50-51，59.
[2]周安勇，侯蕾，刘旌扬.白车身接附点动刚度优化设计[J].汽车技术，2013（6）：16-19.
[3]葛磊，胡淼，孙后青.某轿车前副车架动刚度性能研究[J].新技术新工艺，2021（3）：67-69.
[4]吴志佳，杨金秀，钟建强，等.基于某车型提升右悬置动刚度的车身结构优化设计[J].汽车设计，2018（12）：87-88.
[5]林锦智，曾锋，翁璟.动力总成悬置支架IPI分析与结构优化[J].机电技术，2021（2）：64-67.
[6]李传峰，王军杰.动力总成悬置点动刚度分析及优化[J].农业装备与车辆工程，2012（8）：42-44.