發動機水管的模態試驗與仿真對標研究

趙建兵 李浩亮 林文干 楊劍

東風汽車股份有限公司商品研發院 湖北武漢 430057

1 前言

隨著汽車行業進入存量競爭的時代，各大車企為搶占市場，新車型的開發周期越來越短。NVH作為衡量汽車制造質量的一個綜合性要素，已經貫穿于新品研發的各個設計、生產環節。此開發模式為從根本上解決NVH問題提供了技術保障，但同時也加重了各部件級、零件級設計者的負擔，因此各零部件的NVH目標值的準確與否變得至關重要。

水管作為發動機冷卻系統各部件的連接單元，其一階模態固有頻率需避開發動機最高轉速的二階激勵頻率，這樣才能避免發生共振，提高其可靠性耐久性。為了確定水管原裝狀態下的模態目標值，本文通過試驗與仿真對標的方法，對四種CAE分析方案進行了探究，最終確定附加水質量的分析方案準確、高效。

2 問題現狀分析

某款發動機在臺架進行冷熱沖擊耐久試驗時，水管支架總是出現開裂情況，設計人員認為是共振導致。但是該款發動機怠速轉速為750 r/min，最高轉速為3 600 r/min，冷熱沖擊試驗過程中的掃頻激勵范圍為25～120 Hz，而水管約束模態的CAE分析結果顯示一階固有頻率為145Hz，理論上已經完美避頻。針對此類水管、油箱等涉及液固耦合的零部件，相關文獻表明：與空油箱相比，含有燃油的油箱模態頻率較低[1]； 模型的建模方案不同，模態分析結果也有較大差異[2]。對此，為探究本單位目前應用的CAE分析方案的準確性，本文進行了后續研究。

3 模態試驗分析

模態試驗可同時測量試驗構件的輸出與輸出，經軟件處理后得到其傳遞函數，然后通過各種參數識別方法得到結構的各階模態頻率和振型。本次試驗只為對標發動機水管的一階固有頻率，因此只進行了單點傳遞函數的測試。選取發動機三種型號的水管進行模態測試，內徑分別為12 mm、19 mm和33 mm，如圖1所示。試驗時將鋼管兩端的橡膠管斷開，進行“干模態”測試。

為模擬發動機運行時水管的充水狀態，將水管拆下浸沒于水中用塑料膜、扎帶兩端密封，重新安裝后，進行“濕模態”測試。測試結果如圖2所示。

對比圖2a、2c、2e與圖2b、2d、2f 可知，發動機水管充水后，其一階固有頻率顯著降低，說明水管是否有水對模態頻率影響較大。CAE仿真分析時，不能忽略水的存在，至于哪種分析方案較為準確需要進一步研究。在水管充水進行濕模態測試時，隨著管徑的增大，其密封難度也增大，圖2d和圖2f的傳遞函數曲線出現較紊亂的峰值，推斷是在受力錘沖擊后，管中水的震蕩所致。

4 仿真模態分析

本文為了探究有限元模型的準確性，分別進行了無水與有水狀態的模態對標。有限元分析模型主要由水管和支架構成，管壁采用殼單元，網格尺寸約4 mm，支架由于是鈑金件，也采用殼單元，網格尺寸根據支架大小而定，確保網格質量不會影響計算結果。水管與支架采用RBE2單元連接，約束支架在發動機上的安裝孔位置，進行約束模態分析。

圖1 三種型號發動機水管

圖2 三種型號水管一階頻率測試結果

4.1 分析方案

方案一：

進行干模態對標，忽略水的影響，僅考慮水管殼體，水管單元密度為水管材料的真實密度。

方案二：

在方案一的基礎上進行改進，根據模態測試時的傳感器安裝位置，在有限元模型的對應位置上附加傳感器質量，經稱量，傳感器質量為24 g。

方案三：

進行濕模態對標，附加水的質量，可通過增加管壁密度或均勻附加質量點的方法實現，最終確保除支架外的模型總質量等于水和鋼管的質量和，同時在相應位置附加傳感器質量。

方案四：

進行濕模態對標，采用液固耦合的方法進行分析。劃分管內水所占體積網格，賦予聲學單元屬性，定義壓力邊界條件和偶合面。

4.2 分析結果

利用OptiStruct求解器和Virtual.lab的Acoustic FEM模塊，計算上述四種方案的模態。在圖3～圖5中，分別表述了方案一、方案二、方案三、方案四的分析結果。

圖3 內徑12 mm水管模態仿真分析結果

圖4 內徑19 mm水管模態仿真分析結果

圖5 內徑33 mm水管模態仿真分析結果

5 結果對標分析

整理上述的模態試驗結果和仿真分析結果，如表1所示。

表1 水管干濕模態試驗與仿真結果

對比表1中第二、三列數據，模態仿真計算時，若不考慮傳感器質量的影響，仿真結果誤差較大。內徑12 mm水管一階模態頻率誤差最大，高達26.8%，內徑19 mm水管誤差為12.4%；內徑33 mm水管誤差為19.7%。

對比表1中第二、四列數據，模態仿真計算時，在對應位置附加傳感器質量后，內徑12 mm水管一階模態頻率誤差明顯降低，降為2.2%；內徑19 mm水管誤差降低效果一般，降為7.4%；內徑33 mm水管誤差降低效果不明顯，僅降為16.9%。分析原因，當進行水管模態仿真與試驗對標時，若傳感器布置在剛度較弱的位置，仿真分析時不可忽略傳感器質量的影響，必須在有限元模型對應位置附加傳感器質量。

對比表1中第二、五列數據，當發動機水管充滿水時，一階模態頻率明顯降低。因此在制定發動機水管一階模態頻率目標值時，應以濕模態頻率為指標，這樣才能有效地實現模態分離。

對比表1中第五、六、七列數據，對于三種型號的水管，附加水質量的分析方法誤差分別為4.3%，12.9%，8.7%；而耦合模態仿真分析方法誤差分別為20.1%，25.7%，40.9%。雖然有關文獻表明，耦合模態分析方法更適用于濕模態計算，但本文數據顯示，對于發動機水管的約束濕模態分析，附加水質量的方法更為合適，誤差較小且高效。

分析原因，對于此類約束模態而言，一階模態主要為支架模態，主要與支架剛度和水管質量有關，因此充水后附加的質量對頻率影響較大。液固耦合作用雖然對水管在自由邊界條件下的低階模態剛度有提高的效果，但是對約束邊界條件下的模態頻率影響較小，如表1第四、七列所示。

6 結語

本文主要通過對三種型號的發動機水管進行原裝支撐干、濕模態試驗分析，并與有限元模型的四種方案的分析案結果進行對標，得出以下結論：

a.對發動機水管進行模態仿真與試驗對標時，若傳感器布置在剛度較弱位置，仿真分析時必須考慮傳感器質量的影響。

b.在制定發動機水管一階模態頻率目標值時，應以濕模態頻率為指標，否則設計的水管可能會出現共振，導致水管支架開裂。

c.對于發動機水管濕模態仿真分析，附加水質量的分析方法較為準確、高效。