4缸發動機缸蓋結構優化的研究

張宗成楊景玲孔德芳趙飛

（1.長城汽車股份有限公司技術中心；2.河北省汽車工程技術研究中心）

4缸發動機缸蓋結構優化的研究

張宗成1,2楊景玲1,2孔德芳1,2趙飛1,2

（1.長城汽車股份有限公司技術中心；2.河北省汽車工程技術研究中心）

利用Pro/E軟件建立4缸發動機缸蓋的三維模型，并運用Abaqus軟件對其進行自由振動模態分析。對缸蓋固有模態頻率和振型進行測試，將有限元計算結果和試驗結果進行對比分析表明，兩者所得缸蓋的固有頻率數據吻合性較好，誤差小于3%，證明仿真結果可信。對缸蓋進行綜合研究得出其最佳優化方案，通過優化結果可知，缸蓋第1階模態頻率從1 223 Hz提高至1 386 Hz，提高了13.3%，且其它階模態頻率也有明顯改善。

1 前言

汽車的噪聲問題越來越受到關注，而發動機作為汽車的主要噪聲源，不僅影響車內乘客的乘坐舒適性，其性能的好壞也直接影響著整車NVH水平[1]。發動機缸蓋是發動機中結構最復雜、剛度最大的零部件，而且是振動噪聲最直接、最大的傳遞路徑之一[2]。因此，對發動機缸蓋進行結構優化，提高缸蓋的剛度和模態頻率，對降低發動機的噪聲具有很重要的現實意義。

國內外許多研究人員對發動機缸蓋的特性方面做了大量工作，但以往的研究大多是對缸蓋水套散熱、強度和疲勞分析，而對缸蓋整體模態優化的研究卻很少。本文利用Pro/E軟件的三維幾何造型技術建立某發動機缸蓋的幾何實體模型，然后利用Abaqus軟件對其模型進行綜合性分析研究。

2 缸蓋的有限元模型

由于網格數量過多會增加計算工作量，并且對提高計算精度的作用可以忽略不計，因此在建立汽油機缸蓋實體數模時，需要對機體實際結構進行等效簡化處理，即忽略某些不起主要作用的細節，如較小的過度圓角、倒角、銷孔、定位孔等，并對小于2 mm的線、面、體幾何元素進行處理[3，4]。

在Pro/E軟件中建立好模型后，通過Pro/E和Abaqus軟件之間的接口，將其導入到Abaqus軟件中進行網格劃分、賦予材料屬性和定義載荷步等工作，進而建立有限元計算分析模型。

對缸蓋實體數模進行有限元網格劃分時，由于實體建模階段對幾何特征進行了簡化，得到的模型相對比較規則，因此模型計算采用10節點四面體單元（C3D10）來劃分整個缸蓋數模，單元長度選取6 mm，將實體模型劃分成201126個單元、373 826個節點，由此建立的某發動機缸蓋的有限元模型如圖1所示。

3 模態分析

3.1 基本理論

在有限元分析中，具有連續質量的結構可以離散為有限個單元組成的模型，在線性范圍內，物理坐標系的自由振動響應為主振動的線性疊加，每個主振動都是一種特定形態的自由振動，振動頻率即系統的固有頻率，振動形態即系統的主振型，因此線性系統結構有限元模型的振動微分方程為[5]：

式中，M為有限元模型的總體質量矩陣；K為有限元模型的總體剛度矩陣；x為節點位移向量；C為阻尼矩陣；F（t）為激振力向量。

仿真計算模態分析時，可令激振力向量為零，又因為阻尼對鑄鋁件的缸蓋模態頻率幾乎沒有影響，因此有限元模型可簡化為無阻尼自由振動進行計算：

若使方程（2）存在非零解的條件成立，則其特征方程必須恒等于零，因此發動機缸蓋自由振動的各階固有頻率ω可由以下特征方程求得：

當固有頻率ω為特征方程（3）的重根時，將其代入方程（4）可以求得對應的各階振型Ψ。

當ω是方程（3）的單根時，將其帶入特征矩陣：

求得該特征矩陣的伴隨矩陣:

則該伴隨矩陣的任一非零列向量即為固有頻率ω所對應的振型。

3.2 缸蓋自由模態分析

因缸蓋剛度很大且主要以高頻振動為主，所以安裝在機體上的缸蓋模態函數與自由狀態下的缸蓋幾乎沒有差別，所以在有限元分析軟件中利用上述模態基本原理求解其自由模態。在有限元軟件中設置好材料參數和載荷步，計算所得前3階主要模態頻率及振型分別如表1和圖2所示。

表1 缸蓋自由模態頻率Hz

由圖2可以看出，缸蓋的第1階為整體扭轉模態，第2階為缸蓋縱向彎曲振型，第3階為缸蓋橫向彎曲振型。而在噪聲振動傳遞中，缸蓋縱向彎曲和橫向彎曲振動對發動機其它零部件噪聲影響較大，且其為正時罩、缸蓋罩等薄壁件類輻射噪聲的主要激勵源。所以，要降低發動機的整體輻射噪聲水平，必須提高缸蓋的結構模態頻率，減少其振動能量傳遞。

3.3 試驗模態分析

模態測試的主要目的是驗證仿真計算結果的準確性，其測量系統主要由力錘、力傳感器、加速傳感器、LMS Test.Lab采集前端、數據分析（筆記本電腦）5部分構成，具體缸蓋測點布置如圖3所示。

模態試驗采用錘擊沖擊激勵方式，模態力錘上采用美國PCB公司的086C03力傳感器；振動測量采用美國PCB公司的356A26三向加速度傳感器，靈敏度為50.5 mV/g；采集前端為比利時LMS公司的SCM05，為16通道數據采集系統；數據分析軟件為LMS公司Test.lab11A的Modal Analysis模塊；試驗支撐方式選擇自由懸掛[6]。應用LMS軟件對缸蓋總體傳遞函數采用多參考點最小二乘復頻率法（PolyMAX）進行模態識別，選取采樣頻率為3 500 Hz，增加漢寧窗，為提高信噪比在每個激振點上敲擊8次，進而對8次所測得的響應數據進行線性平均。缸蓋模態識別狀態如圖4所示。

從圖4中可以看出，對數據進行32階模態識別的結果較為理想，圖中曲線重合部分對應的頻率為前3階缸蓋自由模態頻率。

為了驗證有限元分析結果與試驗結果的吻合程度，對兩者的前3階模態頻率進行對比，見表2；試驗振型如圖5所示。

表2 缸蓋模態頻率試驗值與有限元計算值的對比

從Abaqus計算結果和模態試驗結果對比來看，兩者振型一致，且相應頻率的誤差小于3%，因此缸蓋的模態計算結果較為真實的反映了缸蓋的固有特性，所建立的有限元模型正確。

4 結構優化

缸蓋噪聲主要由機械振動引起，而缸蓋的機械激振主要發生在氣門座和凸輪軸承蓋處。所以，提高氣門座和軸承的剛度是降低發動機傳遞噪聲的最佳方法。采取改變缸蓋不同部位的尺寸參數、均勻分布質量、側面合理加筋、缸蓋法蘭邊加寬等優化處理措施；合理調整氣道與水道在氣缸蓋中的布置位置，對受力較小的區域進行減重處理；在考慮制造工藝性等因素的前提下，最后提出缸蓋的最佳修改方案。對缸蓋優化后的仿真計算結果如圖6所示。缸蓋優化前與優化后模態頻率對比分析如表3所列。

表3 缸蓋優化前與優化后模態頻率對比

從表3可以看出，缸蓋優化后第1階模態頻率提高了13.3%，其它兩階模態頻率也相應提高了8.5%和9.1%，因此優化后能很好的避開缸蓋低頻率段的共振頻率，增加缸蓋對傳遞能量的衰減，對整體降低發動機表面輻射噪聲有現實意義。

5 結束語

a.利用有限元法對缸蓋進行了自由模態分析計算，并且通過模態試驗測試，驗證了其有限元數模的準確性和簡化的合理性，也為缸蓋進一步結構優化設計打下基礎。

b.通過對缸蓋結構參數的研究，提出了缸蓋最佳修改方案，從而使缸蓋的第1階模態頻率提高了13.3%，改善了缸蓋結構衰減特性，提高了發動機減振降噪性能。

1龐劍，沾剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用.北京:北京理工大學出版社，2006.

2錢人一.汽車發動機噪聲控制.上海:同濟大學出版社，1997，81～97.

3Eberhardt，Privitzer.Oil Pan Design Improvements Based on Finite Element Modal Analysis Results.SAE 951122.

4高琦.柴油機覆蓋件模態分析及其優化:[學位論文].長春：吉林大學，2007，33～34.

5廖日東.發動機零部件有限元技術應用的新進展.內燃機學報，1999，17（2）：191～197.

6張力，林建龍，項輝宇.模態分析與試驗.北京:清華大學出版社，2001，51～53.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年10月1日。

Research on Structure Optimization of Four-cylinder Engine Head

Zhang Zongcheng1，2，Yang Jingling1，2，Kong Defang1，2，Zhao Fei1，2
（1.Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd;2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

The 3D model of 4-cylinder engine head is established by using software Pro/E.And Abaqus is applied for free vibration modal analysis of the cylinder.The natural modal frequencies and mode of vibration of the cylinder head are tested，then the results of FE calculation are compared with test results for comparison and analysis，which indicate that the natural frequency data of the cylinder head obtained through the two methods are in good agreement with the errors less than 3%，proving that the simulation results are trustworthy.Through comprehensive study，an optimal design of the cylinder is obtained.Optimization result shows that the first order modal frequency of the cylinder head is increased by 13.3%from 1223Hz to 1386Hz，and noticeably improvement of other order modal frequencies is also achieved.

Engine,Cylinder head,Modal analysis,Optimization design

發動機缸蓋模態分析優化設計

U464.1

A

1000-3703（2014）07-0011-03