汽車空調(diào)壓縮機支架模態(tài)優(yōu)化

梁文昌　李書陽　趙華

【摘 要】空調(diào)壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，通過支架安裝在發(fā)動機缸體上，導致支架長期處于振動的惡劣工作環(huán)境中，容易引起空調(diào)壓縮機發(fā)生振動，導致空調(diào)壓縮機不能平穩(wěn)、安全、可靠地進行工作，影響發(fā)動機的性能，并影響到整車的NVH性能。因此，空調(diào)壓縮機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響整車的NVH品質(zhì)。文章通過有限元分析的方法，對空調(diào)壓縮機支架進行了模態(tài)分析，并對支架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)了支架模態(tài)提升的預期效果。

【關(guān)鍵詞】壓縮機支架；模態(tài)分析；NVH；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【中圖分類號】U463.851 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）07-0018-04

0 前言

隨著人們生活水平的日益提高，汽車保有量與日俱增，人們對汽車安全性、環(huán)保性及舒適性的要求也在不斷地提高。汽車廠商越來越重視振動、噪聲的性能，并將其作為新車型的一個主要亮點，汽車的振動、噪聲與舒適性給用戶帶來直接的聽覺和觸覺的感受。業(yè)界噪聲、振動及舒適性（Noise、Vibration、Harshness）統(tǒng)稱為車輛的NVH問題[1]。空調(diào)壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，通過支架安裝在發(fā)動機上，這也決定了其處于振動的惡劣工作環(huán)境中，自身的振動容易被發(fā)動機激發(fā)，從而產(chǎn)生轟鳴現(xiàn)象。本文主要對壓縮機支架模態(tài)進行有限元分析，并為支架模態(tài)提升確定了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗模態(tài)分析。

振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性，不會隨著邊界條件的改變而發(fā)生變化。通過對某一結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析可以得知該結(jié)構(gòu)在不同階次頻率下的模態(tài)特征，也可以求解該結(jié)構(gòu)在不同邊界條件下不同頻率段的響應。所以，對于結(jié)構(gòu)的設(shè)計及故障分析，模態(tài)分析都是一種十分重要的分析手段。

模態(tài)分析技術(shù)的應用可歸結(jié)為以下幾個方面：？譹？訛評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；？譺？訛預估新產(chǎn)品的動態(tài)特性及優(yōu)化設(shè)計；？譻？訛結(jié)構(gòu)故障診斷與預報；？譼？訛降低結(jié)構(gòu)噪聲。

就一個多自由度結(jié)構(gòu)來說，其一般的運動都是由振動模態(tài)合成的。模態(tài)分析的實質(zhì)就是求解具有有限個自由度的無阻尼及無外載荷狀態(tài)下的運動方程的模態(tài)矢量，系統(tǒng)自由振動方程的矩陣表達式如下：

本文用MSC/Nastran程序來提取車身結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)，MSC/Nastran提供3種解法。

（1）跟蹤法。跟蹤法的本質(zhì)是迭代法。如果僅僅求取少量的特征值，即固有頻率，特征法是一種很方便的方法。MSC/NASTRAN中，跟蹤法提供2種迭代方法，一種是逆冪法（INV），另一種是移位逆冪法（SINV）。逆冪法存在丟根現(xiàn)象，移位逆冪法由于采用STRUM系列可以避免丟根，改善收斂性。逆冪法和移位逆冪法均用模型數(shù)據(jù)卡EIGR來定義，并用情況控制指令METHOD來選取。

（2）變換法。特征方程變換如下：

Aφ=ω2φ（6）

其中，A表示采用Givens法或Householder法求得的三角矩陣。變換法可以通過一次求解過程來獲取全部的特征值，即固有頻率。變換法可以求解出大部分或者全部的特征值即固有頻率。變換法適用于維數(shù)較小的矩陣；MSC/NASTRAN提供Givens法（GIV）、修正MGIV法、郝斯厚德（HOU）法及修正郝斯厚德（MHOU）法。吉文斯（GIV）法及郝斯厚德（HOU）法要求[M]矩陣正定，修正吉文斯法（MGIV）與修正的郝斯厚德法（MHOU）允許[M]是奇異的，從而可求解剛體模態(tài)。變換法用模型數(shù)據(jù)卡EIGR來描述，按情況控制METHOD選取。

表1中，SID為卡片編號；METHOD為特征值提取方法；F1、F2為計算的頻率段；NE為迭代次數(shù)（當使用逆冪法時）；ND為設(shè)定根的數(shù)量（當使用逆冪法時，根的數(shù)量一般是迭代次數(shù)的3倍）。

（3）蘭索士法。蘭索士（Lanczos）法是一種將跟蹤法和變換組合起來的新的特征值解法；對計算非常大的稀疏矩陣幾個特征值問題最有效；蘭索士法用模型數(shù)據(jù)卡EIGRL描述，用情況控制METHOD選取。

表2中，SID為卡片編號；V1、V2為計算的頻率段；ND為設(shè)定根的數(shù)量；MSGLVL為控制特征值輸出的數(shù)量。

3種特征值提取方法的比較見表3。

2 空調(diào)壓縮機支架有限元模態(tài)分析

2.1 有限元模型

考慮到空調(diào)壓縮機支架的實際工況，在進行有限元分析時，模型除了空調(diào)壓縮機支架外，還應包括與之相關(guān)聯(lián)的零部件，主要包括空調(diào)壓縮機和部分發(fā)動機缸體、油底殼、蓋板、安裝螺栓等。使用通用的前處理軟件HyperMesh進行網(wǎng)格建模，并定義好各部件的材料屬性及零部件之間的連接關(guān)系。各部件的材料參數(shù)見表4。

2.2 約束條件

自由模態(tài)分析僅能反映出壓縮機支架本身的結(jié)構(gòu)特性，無法體現(xiàn)其正常運行工況下的工作特性，故本文分析壓縮機支架的約束模態(tài)，將壓縮機用螺栓連接到支架上，再將支架固定在發(fā)動機缸體上，最后將缸體、油底殼和蓋板的截斷位置自由度進行全約束（如圖1所示）。

2.3 分析結(jié)果

模態(tài)的評價標準：零部件一階模態(tài)設(shè)計頻率fmin>（1.3±0.1）×f，f為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速對應的點火頻率。本文分析的空調(diào)壓縮機安裝在最大轉(zhuǎn)速為6 000 rpm的發(fā)動機上，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速對應的點火頻率f為200 Hz，所以fmin>240～280 Hz。

使用Nastran求解器進行求解，由圖2可知壓縮機支架的一階固有頻率為217 Hz，低于模態(tài)評價標準，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 空調(diào)壓縮機支架模態(tài)優(yōu)化

3.1 對壓縮機支架進行模態(tài)應變能分析

在車身的模態(tài)分析中，第i階模態(tài)的第j單元的模態(tài)應變能（MSE）定義如下：

MSEij={φi}T[Kj]{φi}（7）

式（7）中：{φi}為第i階模態(tài)的振型；Kj為j單元剛度矩陣[2]。

由式（7）可知，單元應變能越高，局部位移越大，結(jié)構(gòu)的剛度就越低[3]。在壓縮機支架模態(tài)分析中，某階模態(tài)應變能的分布反映出支架在該模態(tài)振型下變形的區(qū)域，即反映支架的剛度分布情況。

壓縮機支架第一階模態(tài)頻率的模態(tài)應變能的分析結(jié)果如圖3所示。

模態(tài)應變能高的區(qū)域主要集中在空調(diào)壓縮機支架上側(cè)，位于空調(diào)壓縮機安裝點與支架安裝點之間，考慮到支架受空調(diào)壓縮機的空間結(jié)構(gòu)限制，確定優(yōu)化方向：在支架安裝點及空調(diào)壓縮機安裝孔之間的位置增加加強筋結(jié)構(gòu)，加強筋上部結(jié)構(gòu)隨著空調(diào)壓縮機外部殼體結(jié)構(gòu)做成弧形狀，并將左側(cè)安裝孔的加強筋跨度加大，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空調(diào)壓縮機支架一階模態(tài)頻率為259 Hz，比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的支架模態(tài)頻率提高了42 Hz，提高幅度為19.3%，且滿足模態(tài)的評價標準。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模態(tài)云圖如圖5所示。

4 空調(diào)壓縮機支架模態(tài)測試驗證

為驗證空調(diào)壓縮機支架模態(tài)仿真分析的可靠性，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的2種支架進行模態(tài)測試。

按照支架數(shù)模制作實物樣件，將支架及空調(diào)壓縮機裝配到發(fā)動機缸體上，使用錘擊法進行模態(tài)試驗（如圖6、圖7、圖8所示）。

從試驗結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的支架樣件的一階模態(tài)分別為202 Hz和257 Hz，測試模態(tài)提高了55 Hz，優(yōu)化后的支架一階模態(tài)頻率比優(yōu)化前提高了27.2%，雖然和仿真結(jié)果相比有略有偏差，但說明仿真分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案非常有效果。

5 結(jié)論

（1）通過對空調(diào)壓縮機支架模態(tài)進行有限元分析，能夠在開發(fā)前期判斷支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足模態(tài)要求。

（2）針對未滿足設(shè)計要求的支架，通過分析支架的模態(tài)應變能，找出薄弱位置，能夠快速確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，提高優(yōu)化效率。

（3）通過模態(tài)實驗來驗證有限元模態(tài)分析的準確性，為今后對壓縮機支架模態(tài)的分析優(yōu)化積累了經(jīng)驗。

參 考 文 獻

[1]劉顯臣.汽車NVH綜合技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]朱林森，周鋐，趙靜.基于模態(tài)應變能分析和板件貢獻分析的車身阻尼處理[J].汽車技術(shù)，2010（10）：8-11.

[3]顏王吉，黃天立，任偉新.基于單元模態(tài)應變能靈敏度結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計識別[J].中南大學學報，2011（1）：152-

157.

[責任編輯：鐘聲賢]