基于Abaqus的汽車發動機油底殼動力學性能優化

摘要： 為提升汽車發動機油底殼動剛度，減少其振動噪聲，對其動力學性能進行優化.利用SolidWorks設計某型號油底殼初始模型，采用Abaqus分析其模態和頻率響應，并根據分析結果對原始模型進行優化設計.優化后的汽車發動機油底殼結構動力學性能顯著提升.

關鍵詞： 汽車； 發動機； 油底殼； 剛度； 噪聲； 模態； 頻率響應； 優化

中圖分類號： TB123；TK411.6文獻標志碼： B

Abstract： To improve the dynamic stiffness of an automobile engine oil pan and reduce its vibration and noise， its dynamic performance is optimized. An original oil pan model is designed by SolidWorks， the modal analysis and frequency response are analyzed by Abaqus， and the original model is analyzed and redesigned. The dynamic performance of the optimized automobile engine oil pan is enhanced significantly.

Key words： automobile； engine； oil pan； stiffness； noise； modality； frequency response； optimization

0引言

隨著人類生活水平的提高，汽車已經成為眾多家庭必備的出行工具.人們對汽車舒適性的要求越來越高，提高汽車舒適性能是汽車企業提高市場競爭力所要考慮的一個重要方面.汽車振動噪聲嚴重影響乘員的舒適性.發動機噪聲是汽車等機動車主要噪聲來源，其薄壁構件之間相互振動和碰撞產生的輻射噪聲占發動機總噪聲的15%～20%，特別是油底殼與機體之間振動傳遞尤為顯著.[1-3]研究發動機油底殼的動態力學性能，對于提高油底殼動剛度，減少振動輻射噪聲，具有重要的現實意義.[4-5]

本文利用Abaqus對某型號發動機的油底殼進行模態分析和頻率響應分析，找到原始設計的結構動剛度較小的部位，然后對其進行優化設計，以改善結構的動力學特性.

1動力學分析相關理論

1.1模態分析理論基礎

模態分析可以分為解析模態分析和實驗模態分析.用質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣分別表示結構的質量分布、剛度分布和阻尼分布，最終求得結構的模態參數稱為解析模態分析.實驗模態分析是利用實驗儀器得到頻響函數或者是脈沖傳遞函數，然后運用參數識別方法求得結構的模態參數.[6]本文利用解析模態分析方法來進行研究.

模態分析理論基本假設為線性假設、時不變假設和可觀測性假設.根據這3種基本假設可知：模態分析實際上是將微分方程組中的物理坐標轉換為模態坐標，解耦方程組，并使其變成僅以模態坐標和模態參數描述的方程，坐標變換的變換矩陣為振型矩陣，其每列即為各階振型.由于模態變換屬于線性變換，所以可以由各階模態的疊加得到系統的動態響應，響應的大小取決于各階模態的參與系數.通常，低階模態的參與系數要高于高階模態的參與系數，所以通常取前幾階模態疊加就可以得到系統的動態響應.[7-8]

考慮Mx¨+Kx=0（1）假設其解為x=eiωt（2）代入特征方程K-ω2M=0（3）或Δ（K-λM）=0（4）式中：λ=ω2

對于N自由度系統，有N個固有頻率；與固有頻率對應的特征向量稱為模態振型；當結構振動時，在任意時刻，結構的形狀為它的模態的線性組合.

1.2頻率響應分析理論基礎

頻率響應分析是計算在穩態激勵下結構動力響應的方法.在頻率響應分析中，激勵載荷是在頻域中明確定義的，所有外力在每一個指定頻率上是已知的.力的形式可以是外力，也可以是強迫運動（位移、速度、加速度等）.計算結果通常包括節點位移、加速度、單元力和應力等.

頻率響應分析有兩類不同的數值方法可以選擇：直接法和模態法.直接法按照給定的頻率直接求解耦合的運動方程；而模態法利用結構的模態振型來對耦合的運動方程進行縮減和解耦，同時由單個模態響應的疊加得到某一給定頻率下的響應結果.

頻率響應分析需要考慮以下幾點[9]：

（1）如果激勵的最高頻率比系統的最低諧振頻率小得多，那么做靜力分析就足夠了.

（2）阻尼很小的結構在激勵頻率接近于諧振頻率時，會表現出很大的動力響應.在這樣的響應問題中，模型上一個小的改動就可能產生響應上明顯的變化.

（3）如果希望對峰值響應進行充分的預測，必須使用足夠小的頻率步長.對每個半功率帶寬，至少需要使用5個點.

（4）為了得到最大的效率，應使用非均勻頻率步長.在諧振頻率區域使用較小的頻率步長，在離開諧振頻率的區域使用較大的頻率步長.

2原始模型及其動力學分析

有限元模型是有限元分析中的基礎，反映幾何模型在實際工作過程中的受力情況和結構的力學關系，包括材料屬性、外部載荷和約束等信息.油底殼有限元模型見圖1.

有限元模型建立過程如下：

（1）所研究的油底殼是通過沖壓工藝而成型的，結構的壁厚均勻，厚度為1.6 mm，在SolidWorks中建立油底殼幾何模型，將三維幾何模型導入Abaqus中，由于結構具有薄壁特征，采用殼單元進行分析精度很高，故需要提取結構中面，為有限元模型網格劃分做準備.

（2）在油底殼實際工作過程中，法蘭和機體下表面通過螺栓連接在一起，故對螺栓連接處的節點進行約束.

（3）油底殼材料為寶鋼DC06鋼材，彈性模量為2.06E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9 t/mm.

（4）由于模型特征較多，故采用Abaqus/Standard求解器中的S4R和S3兩種單元混合建模，其中S3起網格過渡作用.

2.1原始模型的模態分析

采用Abaqus/Standard求解器的Lanczos方法進行模態求解，提取結構的前100階頻率.該方法對模型規模較大，所提取振型較多時，求解速度更快.

使用振型疊加法分析線性動態問題時，要保證頻率提取分析步中提取足夠數量的模態，以保證求解精度，判斷標準為在主要運動方向上的總有效質量要超過模型中可運動質量的90%.[10]模型總質量為2.199 801E-3 t，由于受約束節點比例很小，可運動質量近似等于模型總質量，z方向為主要運動方向，有效質量為2.071 480E-3 t，占可運動質量的比例為94%.因此，提取100階振型是足夠的.原始模型前6階固有頻率見表1；原始模型的前6階模態振型見圖2.由圖2可知前6階振動主要在油底殼底部大平面區域.在設計過程中應該對底部區域進行加強處理，提高結構的振動性能.

2.2原始模型的頻率響應分析

模態分析得到油底殼固有頻率和振型，但是要進一步了解其動力學特性，需要進一步分析結構的頻率響應.

實際工作中油底殼受到的激勵是通過機體傳遞過來的，并且油底殼的剛度小于機體裙部，因此可以把油底殼和機體看成是非耦合系統[1-3].油底殼僅接受和機體連接的振動激勵，因此可以在螺栓孔位置施加激勵載荷.本文采用油底殼和機體連接處螺栓的多點垂向（z向）單位位移（1 mm）的激勵來替代實際的激勵，頻率響應分析的頻域范圍為0～1 500 Hz，結構模態阻尼因子取0.06.以模態分析為參考，選取2個具有代表意義的點作為參考點.參考點位置見圖3；兩個觀察點z方向位移響應見圖4.結果表明：觀察點1在289 Hz和852 Hz附近位移響應達到峰值，分別由第1階和第6階模態振型引起.觀察點2在410 Hz和467 Hz附近位移響應達到峰值，由第2階模態振型引起.

3優化后的模型及對比分析

由于該結構底部為大平面結構，通過以上分析了解到，結構的前幾階振動主要集中在底部，為增加底部剛度，在底部大平面加5根縱向加強筋，底部小平面加2根縱向加強筋和2個橫向小凸臺.以改善結構動力學性能.優化后的油底殼模型見圖5.

對優化后的結構進行模態分析，對比原始模型固有頻率，見圖6.前6階固有頻率分別提升55.610%，41.750%，18.053%，63.857%，27.865%和16.524%，說明加強筋對結構整體剛度提升很大.

對優化后的結構進行頻率響應分析，對比原始模型的z方向位移響應，見圖7.

優化后的結構在兩個觀察點峰值響應出現時的頻率遠遠大于優化前的結構，說明底部動剛度改善很大，與模態分析結論一致.

4結束語

對某型號發動機油底殼進行初步設計，從動力學角度分析結構的動剛度，找到結構較薄弱部位，對底部平面區域進行優化設計，增加7根加強筋和2個小凸臺.優化后結構的動剛度改善很大，固有頻率提升顯著.在發動機不同頻率的激勵下，優化后的結構位移響應峰值相比原始結構在更高的頻率點出現.該方法對油底殼的設計具有重要的指導意義.參考文獻：

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