發(fā)動(dòng)機(jī)（包括動(dòng)力總成）開(kāi)發(fā)中應(yīng)用和n 軟件完成的動(dòng)力學(xué)和有限元分析內(nèi)容，并結(jié)合長(zhǎng)安公司的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，詳述了幾個(gè)典型的分析算例，它們分別是：曲軸系分析、缸體缸蓋一體化分析、配氣機(jī)構(gòu)分析、常用附件結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力總成模態(tài)分析以及動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)分析。這些算例表明，CAE 分析技術(shù)逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要技術(shù)手段。
1 概述
隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE 分析在新型發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中地位不斷提高，逐漸成為了與傳統(tǒng)試驗(yàn)平行的開(kāi)發(fā)手段。新機(jī)型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的需要考慮的剛度、強(qiáng)度、疲勞、振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題，都可以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CAE 手段解決，大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，避免產(chǎn)品在投放市場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)致命的質(zhì)量問(wèn)題。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的CAE 分析中，主要可分為性能分析、流場(chǎng)分析以及結(jié)構(gòu)分析三個(gè)研究方向，其中結(jié)構(gòu)分析是針對(duì)零部件級(jí)（比如活塞、連桿等）、子系統(tǒng)級(jí)（比如曲軸系）和總成級(jí)（比如整機(jī)和動(dòng)力總成）三個(gè)級(jí)別的對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和有限元分析，主要分析內(nèi)容包括分析各級(jí)別對(duì)象的剛度、強(qiáng)度、疲勞、模態(tài)、溫度、剛體運(yùn)動(dòng)、彈性振動(dòng)等。根據(jù)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的要求以及以往的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析的基本內(nèi)容如圖1 所示。
以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析見(jiàn)長(zhǎng)，可有效地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，其中 模塊提供了若干發(fā)動(dòng)機(jī)常用部件的分析模塊。n 則是以成熟的有限元分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域占有重要的地位。本文將結(jié)合長(zhǎng)安公司的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，詳細(xì)論述幾個(gè)應(yīng)用 和n 完成的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析算例。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析基本內(nèi)容
2 典型分析算例
2.1 曲軸系分析
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承受載荷比較大的零件。在曲軸的工作過(guò)程中，疲勞失效往往是其失效的主要原因，因此，對(duì)曲軸疲勞性能研究顯得尤為重要。由于曲軸屬于高速旋轉(zhuǎn)部件，若采用傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度分析方面，則不能準(zhǔn)確地反映曲軸在工作狀態(tài)下真實(shí)的受力情況。所以，本文采用了基于動(dòng)力學(xué)分析的曲軸強(qiáng)度分析方法。
首先，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系（包括曲軸、連桿、主軸承座等）進(jìn)行符合實(shí)際的三維建模型與裝配，各部件之間采用不同的連接體進(jìn)行連接，構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的多體非線性模型，在建模的過(guò)程中同時(shí)考慮軸承油膜的影響。對(duì)此模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解，得到曲軸的動(dòng)力學(xué)特性與主軸承油膜特性。然后，將動(dòng)力學(xué)分析得到的結(jié)果作為輸入條件施加到曲軸有限元模型上，應(yīng)用n 軟件求解得到曲軸一個(gè)工作循環(huán)下的瞬態(tài)應(yīng)力，進(jìn)而得到曲軸關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞安全系數(shù)來(lái)考察曲軸的耐久性。
圖2 表示某帶液力變矩器的曲軸有限元模型，該模型包含曲軸所有的部件，由絕大部分六面體單元和少量四面體單元構(gòu)成，單元總數(shù)為251768，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為290597。將此模型與連桿、主軸承座等其它部件連接構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，得到該曲軸系一系列動(dòng)力學(xué)特性和油膜特性，包括前后端最大動(dòng)態(tài)扭矩、前后端最大動(dòng)態(tài)角位移、各主軸頸在工作循環(huán)內(nèi)受到的瞬態(tài)力與力矩、各主軸承最小油膜厚度、最大油膜壓力等等。其中，圖3 表示前后端最大動(dòng)態(tài)角位移，圖4 表示各主軸承最小油膜厚度?；谝陨系膭?dòng)力學(xué)結(jié)果，通過(guò)有限元計(jì)算得到曲軸在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)應(yīng)力如圖5 所示，進(jìn)而根據(jù)曲軸材料特性和瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果得到曲軸關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞安全系數(shù)。
圖2 曲軸有限元模型
圖3 前后端最大動(dòng)態(tài)角位移
圖4 各主軸承最小油膜厚度
圖5 曲軸在某時(shí)刻的瞬態(tài)應(yīng)力
2.2 缸蓋缸體一體化分析
缸蓋和缸體是最重要的主體結(jié)構(gòu)部件，它們的耐久性和可靠性直接影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。所以，在設(shè)計(jì)前期，就必須對(duì)缸蓋缸體在各種工況下的溫度和強(qiáng)度、缸孔變形、缸墊壓力分布以及這些結(jié)構(gòu)的高周疲勞進(jìn)行評(píng)估。
缸蓋缸體一體化分析主要分為水套CFD 分析、缸蓋缸體溫度場(chǎng)分析、缸蓋缸體結(jié)構(gòu)分析三個(gè)部分。通過(guò)水套的CFD 分析，得到水套中冷卻液體的流速、壓力損失、對(duì)流傳熱系數(shù)等等。然后將部分CFD 分析結(jié)果作為輸入條件施加到結(jié)構(gòu)分析的有限元模型中，計(jì)算缸體和缸蓋的溫度場(chǎng)分布。最后再基于溫度場(chǎng)的分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要包括以下工況：（1）裝配載荷；（2）熱載荷；（3）工作載荷（燃?xì)獗l(fā)壓力等）；（4）冷卻狀態(tài)。通過(guò)對(duì)這一系列工況分析，對(duì)缸蓋缸體的耐久性、缸孔變形以及缸墊密封性進(jìn)行評(píng)估。
圖6 表示某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋缸體一體化有限元網(wǎng)格模型，該模型中還包括缸墊、氣門(mén)、螺栓等結(jié)構(gòu)。圖7 表示缸蓋和缸體的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。圖8 表示缸墊在某種工況下壓力的分布情況，若壓力過(guò)低甚至為零，則說(shuō)明缸墊的密封存在一定問(wèn)題，需要在優(yōu)化中進(jìn)行改進(jìn)。
圖6 缸蓋缸體一體化分析有限元模型
圖7 缸體缸蓋的溫度場(chǎng)分布
圖8 缸墊在某種工況下的壓力分布
2.3 配氣機(jī)構(gòu)分析
配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，氣門(mén)升程曲線、零件質(zhì)量剛度等因素將極大的影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗、排放、怠速穩(wěn)定性等目標(biāo)性能。因此，在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，能檢驗(yàn)和優(yōu)化配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。
配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要分為以下兩個(gè)步驟：
（1）基于 提供的配氣機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行建模，如圖9 所示，建模中除氣門(mén)彈簧外其余部件都考慮為剛體。計(jì)算輸入主要為氣門(mén)升程曲線、凸輪軸型線、氣門(mén)彈簧的形狀、質(zhì)量、剛度等。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到氣門(mén)落座速度、凸輪與挺柱之間的赫茲接觸力（圖10 表示某發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的赫茲接觸力）、氣門(mén)彈簧力以及凸輪軸驅(qū)動(dòng)力矩等，以此來(lái)檢驗(yàn)配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下是否能正常工作。
（2）為更準(zhǔn)確地模擬配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為，在進(jìn)一步計(jì)算中考慮凸輪軸本身的彈性，通過(guò) 的柔性部件接口（MNF 文件），將彈性的凸輪軸有限元模型引入動(dòng)力學(xué)分析模型，計(jì)算配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。并且，還可以基于動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，通過(guò)n 軟件，對(duì)凸輪軸在不同轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)角下的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行考察。圖11 表示某凸輪軸在6000rpm 下的動(dòng)應(yīng)力云圖。
圖9 配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型
圖10 不同轉(zhuǎn)速下的赫茲接觸力
圖11 凸輪軸在6000rpm 下的動(dòng)應(yīng)力
2.4 常用附件結(jié)構(gòu)分析
發(fā)動(dòng)機(jī)中有很多附件，比如壓縮機(jī)托架、進(jìn)氣管支架、發(fā)電機(jī)支架等等，這些附件用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)中各個(gè)部件總成，并將其固定在發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)上。如果這些附件在工作過(guò)程中產(chǎn)生失效（如斷裂等），就可能使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。
在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段中，一般都在線性范圍內(nèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)附件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析。在強(qiáng)度分析中，根據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)提供的設(shè)計(jì)載荷或?qū)嶋H工作載荷，應(yīng)用n 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到零部件在不同工況下的變形、應(yīng)力分布、支反力等等。強(qiáng)度分析的準(zhǔn)確度主要取決于：（1）有限元網(wǎng)格的質(zhì)量，因?yàn)榛兊木W(wǎng)格會(huì)引起虛假的高應(yīng)力，從而影響對(duì)結(jié)果的判定；（2）載荷的確定，附件的外載荷必須由設(shè)計(jì)部門(mén)提供或由發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況計(jì)算得到。而模態(tài)分析則是為了防止附件的固有頻率被發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)的激振所激發(fā)，從而那導(dǎo)致危險(xiǎn)的共振破壞。模態(tài)分析的難點(diǎn)主要在于：（1）激振頻率的確定，對(duì)一般直列四缸發(fā)動(dòng)來(lái)說(shuō)，主要考慮其二階激振或四階激振；（2）邊界條件的準(zhǔn)確簡(jiǎn)化，由于不同的邊界條件會(huì)使得計(jì)算的固有頻率有所差異，所以必須對(duì)與它們連接的部件進(jìn)行準(zhǔn)確地簡(jiǎn)化和模擬，比如連接螺栓的模擬等。
圖12 表示某發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)支架、壓縮機(jī)托架、進(jìn)氣歧管支架以及發(fā)電機(jī)壓縮機(jī)組合托架四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)附件的模態(tài)分析結(jié)果。
圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)附件的模態(tài)分析
2.5 動(dòng)力總成模態(tài)分析
動(dòng)力總成的彎曲振動(dòng)對(duì)汽車(chē)的NVH 性能有著非常重要的影響，在嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起車(chē)輛零部件的早期共振破壞和疲勞損傷破壞。在發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須對(duì)動(dòng)力總成及附件系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到它們的模態(tài)頻率和振型，分析它們各自的動(dòng)態(tài)固有振動(dòng)特性。
動(dòng)力總成模態(tài)分析的重點(diǎn)在于合理的簡(jiǎn)化建模，而非計(jì)算本身。由于動(dòng)力總成包含了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，為了全面反映動(dòng)力總成及附件系統(tǒng)的振動(dòng)特性，在分析計(jì)算時(shí)必須將系統(tǒng)中所有零部件考慮在內(nèi)；同時(shí)為了控制有限元模型的規(guī)模，節(jié)約計(jì)算時(shí)間和資源，在進(jìn)行整個(gè)動(dòng)力總成有限元建模時(shí)，針對(duì)不同對(duì)象在模態(tài)計(jì)算中的作用分別作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)力總成各個(gè)零部件有兩種建模方式，一種是采用實(shí)體單元和殼單元建模，包含的主要零件有：缸體、缸蓋、機(jī)油盤(pán)、變速器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)附件、軸承蓋；另一種是采用集中質(zhì)量來(lái)模擬，包含的主要零件有：變速器殼體內(nèi)部總成、配氣機(jī)構(gòu)部分、排氣歧管、機(jī)油濾清器、曲軸系、前端輪系。完整的動(dòng)力總成有限元分析模型如圖13 所示。
圖13 完整的動(dòng)力總成有限元模型
在直列四缸發(fā)動(dòng)中，對(duì)于動(dòng)力總成本身的彎曲或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)說(shuō)，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激振，而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)附件以及托架等，主要考慮四階激振。通過(guò)n 軟件計(jì)算得到動(dòng)力總成的固有頻率與振型，從而為動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)修改提供參考。圖14 和圖15 分別表示動(dòng)力總成的第一階彎曲振型和第一階扭轉(zhuǎn)振型。
圖14 動(dòng)力總成第一階彎曲振型 圖15 動(dòng)力總成第一階扭轉(zhuǎn)振型
2.6 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)分析
懸置系統(tǒng)是指動(dòng)力總成（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及變速器等）與車(chē)架或車(chē)身之間的彈性連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)體之間的振動(dòng)傳遞，影響整車(chē)的NVH 性能。一個(gè)好的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，可以較好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)本身的激振力向車(chē)體部分傳遞，不使底盤(pán)和車(chē)身在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪音，提高汽車(chē)乘坐舒適性和使用可靠性。
動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的分析方法如圖16 所示。在本方法中，首先根據(jù)整車(chē)和動(dòng)力總成的數(shù)據(jù)，用 進(jìn)行建模，其中最關(guān)鍵的部分在于懸置元件的描述，由于懸置件大多是橡膠或者液壓的，所以可采用ADAMS 軟件中的Maxwell 模型或者零極點(diǎn)方式來(lái)進(jìn)行描述。在根據(jù)慣性主軸確定了懸置布置方式后，通過(guò)剛體模態(tài)和動(dòng)力總成及懸置件位移之間的平衡來(lái)確定懸置的靜動(dòng)剛度、阻尼以及懸置點(diǎn)在各種工況下的受力，以這些輸出結(jié)果作為懸置件制造和發(fā)動(dòng)機(jī)支架驗(yàn)證的輸入條件。
圖17 表示某動(dòng)力總成的慣性主軸和懸置布置方式，圖18 表示測(cè)振點(diǎn)的振動(dòng)評(píng)估。
圖16 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)分析方法
圖17 慣性主軸及懸置布置 圖18 測(cè)振點(diǎn)的振動(dòng)評(píng)估
3 結(jié)論
CAE 分析技術(shù)在長(zhǎng)安公司的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)以上分析算例可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)前期，應(yīng)用 和n 軟件，可以對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及總成系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的評(píng)估，從而檢查設(shè)計(jì)的合理性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向。
（轉(zhuǎn)載）
