CAE模态分析在发动机齿轮室盖优化设计中的应用.doc

CAE模态分析在发动机齿轮室盖优化设计中的应用第32卷增刊2009年11月合肥工业大学学报(自然科学版)JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1.32No.SupNov.2009CAE模态分析在发动机齿轮室盖优化设计中的应用胡志胜,傅秋阳,陈玮(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽合肥230O22)摘要:文章采用理论分析与试验相结合的方法,分析了某493欧柴油发动机齿轮室盖的声学性能,发现原齿轮室盖设计中存在的问题,采用CAE模态分析对齿轮室盖进行了优化设计.对优化后的齿轮室盖进行了试验评价,结果证明将CAE模态分析用于优化齿轮室盖是有效的.关键词:正时齿轮室盖;机械振动;CAE模态分析中图分类号:U467.493文献标识码:A文章编号:10035060(2009)增刊一022303CAEmodeanalysisapplyinenginehousingcoveroptimizationHUZhisheng,FUQiwyang,CHENWei(CenterofTechnology,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.Ltd.,Hefei230022,China)Abstract:Thispaperanalyzedtheacousticperformanceofhousingcoverofthe493dieselmatchingforminibusbyacombinedwayofboththeoryandexperiments.Thepaperfoundsomestructuredefectsandoptimizedthedesignbyusingthemodeanalysis.ExperimentevaluationZhasbeendoneaboutit,andtheresultsshowCAEmodeanalysisiseffectiveinoptimizingmechanicalvibration.Keywords:housingcover;mechanicalvibration;CAEmodeanalysis汽车噪声与振动是衡量汽车好坏的一项非常重要的指标.在整车噪声中,发动机及其相关件产生的噪声占整车噪声的1/2以上,如何有效地降低发动机的噪声是目前汽车行业的重要研究课题.目前,对金属件性能分析主要通过CAE中模态分析方法,该方法能够真实反映金属件内部的复杂结构,具有较高的精度口.本文针对某493欧柴油机前端振动较大的问题,进行了声源识别;采用试验研究和数值分析相结合的手段,发现该齿轮室盖强度不足是一个主要原因.对齿轮室盖的声学性能进行了分析,发现其设计中存在的问题,并采用有限元方法对其进行了优化设计.1振动噪声辐射及CAE模态分析1.1发动机振动噪声辐射产生机理及评价指标发动机辐射噪声与结构表面振动有着密切的关系,可以用表面振动速度或加速度的平均均方值来表示辐射噪声.随发动机转速的增加,噪声,振动速度和加速度也随之增加,噪声频谱与振动速度级频谱有非常一致的形状,因而可以用表面振动速度来描述噪声1.研究表明,机械表面辐射噪声和表面振动之间可以按照板的辐射噪声情况来考虑,表面辐射声功率为:r.Wrad一9ocSo”dI<()>dt(1)J0其中,poC为声传播介质的特性阻抗;S为振动表面面积;<.(f)>为振动时间空问平均速度的均方值;为辐射系数,它被定义为表面振动和辐射声功率之间的耦合系数,反映了结构表面振动通过介质辐射成为噪声的能力.与辐射表面的结构形式,振动频率和振型等有关.(1)式表明,当辐射系数及面积一定,声传播介质一定时,辐射噪声主:要与振动的时间空间平均速度有关.其中,<.()>可由测量和计算收稿日期:20090824;修改日期:20090902作者简介:胡志胜(1982一),男,山西太原人,安徽江准汽车股份有限公司助理工程师224合肥工业大学学报(自然科学版)第32卷确定,则对不同结构的发动机有不同的值,需由实验确定.噪声声压为:LPA一101g(Wad/w.)一8(2)其中,W.一10W.发动机外表面形状较为复杂,为了使分析辐射系数简便起见,可将其表面简化为若干简单的矩形板组合,然后依板的支撑条件来分析各个板的辐射系数.由于控制发动机燃烧噪声和机械噪声受到发动机性能方面的影响,因此降噪量有限.而在结构上采取措施可以大幅度降低发动机的表面振动辐射噪声,从而使整机噪声大大减小.发动机罩,壳,盖类密封部件是主要的表面振动噪声辐射源,如何才能有效评价设计的该类件是否满足强度,振动噪声的要求,这要与所装配的发动机性能联系起来.1.2CAE模态分析模态分析作为一门新的学科得到迅速发展,关键在于其实用性,在于它解决实际工程中振动问题的能力.模态分析的最终目标是:识别出系统的模态参数,为结构系统的振动特性分析,振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据;借助于试验与理论分析相结合的方法,对已有结构系统进行识别,分析和评价,从中找出结构系统在动态性能上存在的问题,确保工程结构能安全可靠及有效的工作;根据现场测试的数据来诊断及预报诊断故障和进行噪声控制.通过这些方法,为老产品的优化和新产品的设计开发提供可靠的指导.模态分析技术应用可归结为以下几个方面:评价现有结构系统的动态特性;在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计;诊断及预报结构系统的故障;控制结构的辐射噪声;识别结构系统的载荷.模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率,阻尼比和模态振型.这些模态参数可以由计算或试验分析取得,此过程称为模态分析.如果通过模态分析方法了解了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,就可能预测出结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下的实际振动响.因此,模态分析是结构动态设计以及设备故障诊断的重要方法.本文通过试验,CAE模态有限元分析方法对某493欧柴油发动机的齿轮室盖进行分析,应用软件分析指导设计开发的合理性.2CAE模态分析应用2.1原齿轮室盖试验评价在某493欧柴油发动机台架振动试验中发现,在发动机前端齿轮室盖板中心某点振动加速度约是机体加速度的3倍,齿轮室盖板的辐射噪声较大.前端振动测试点是布置在齿轮室盖板上的.表1所列为测量的齿轮室盖板在不同转速下的振动加速度值,且齿轮室盖板的振动随着转速的升高而增大,在额定转速时该点振动最大值达到342.3m/s.表l齿轮室盖振动加速度图1所示为3600r/rain时,测量的发动机各点振动加速度频谱图,从中可以看出其振动的主要贡献频率为1800Hz.为了研究该齿轮室盖板的动态特性,从而找到减小其辐射噪声的有效方法,对其进行了CAE模态有限元分析,并根据分析结果对齿轮室盖板的结构进行优化设计.2.2原齿轮室盖CAE模态分析齿轮室盖CAE模态分析使用了HyperMesh为前处理分网工具,ABAQUS为计算解算器及后处理软件.网格采用C3D10M单元,节点数为85474,单元数为304071E.190一翻g40z图1发动机各点振动加速度频谱图增刊胡志胜,等:CAE模态分析在发动机齿轮室盖优化设计中的应用225该齿轮室盖采用了压铸铝合金材料YI113GB/T15115,由螺栓安装于机体前端,为简化模型,将约束简化为3个自由度.通过CAE有限元分析,得出了工,阶振型云图及需加强区域,如图2所示.(a)J阶振型云图(b)I/阶振云图fc)需加强区域圈2I,阶振型云图及需加强区域示意图由图2可知,前2阶模态主要在3个区域振动幅度较大.从发动机台架试验测得的数据看,在发动机额定转速3600r/rain齿轮室盖主要贡献频率为1800Hz,因此齿轮室盖频率阶数只考虑在3阶以内即可.齿轮室盖板优化前的前3阶模态频率见表2所列,从中可以看出,模态计算得出的齿轮室盖板前2阶固有频率分别为1611.2Hz,2159.7Hz,试验测量值分别为1693Hz,2079Hz,该2阶固有频率的差值比例分别为5,3.9.可以看出模态分析计算与实际符合较好,该模型能够表征实际物理现象.从图2可以看出需对齿轮室盖强度较弱的区域添加加强筋,加强局部刚度,提高部件固有频率.通过对原正时齿轮室盖的试验评价和数值模拟分析,发现原齿轮室盖局部的强度较差,抗共振能力有限,结构设计需要优化,减弱对噪声的辐射能力.3正时齿轮室盖的优化改进设计根据以上CAE模态分析得出的结论,对齿轮室盖强度较弱的区域增加了加强筋,三维模型及实物如图3所示.对优化后的齿轮室盖进行了振动试验,优化前后齿轮室盖理论和试验的振动频率值对比表,见表2所列.从表2数据可以看出,各阶固有频率均提高400Hz左右,避开了发动机常用工况转速对应的固有频率段18O0Hz,避免了由于齿轮室盖与发动机共振而产生的噪声,优化设计后的效果明显优于原设计.图3优化后的齿轮室盖模型及实物示意图表2优化前,后3阶振动频率对比Hz4结论(1)针对某493欧柴油发动机齿轮室盖的声学性能,采用试验研究和CAE模态分析方法相结合的手段,找出原齿轮室盖设计中存在的问题,并对齿轮室盖进行了优化设计.优化后齿轮室盖振动试验表明,该齿轮室盖具有良好的抗共振能力.(2)在本次设计中,采用了Pro/e三维建模,借