4缸发动机缸盖结构优化的研究

张宗成杨景玲孔德芳赵飞

（1.长城汽车股份有限公司技术中心；2.河北省汽车工程技术研究中心）

4缸发动机缸盖结构优化的研究

张宗成1,2杨景玲1,2孔德芳1,2赵飞1,2

（1.长城汽车股份有限公司技术中心；2.河北省汽车工程技术研究中心）

利用Pro/E软件建立4缸发动机缸盖的三维模型，并运用Abaqus软件对其进行自由振动模态分析。对缸盖固有模态频率和振型进行测试，将有限元计算结果和试验结果进行对比分析表明，两者所得缸盖的固有频率数据吻合性较好，误差小于3%，证明仿真结果可信。对缸盖进行综合研究得出其最佳优化方案，通过优化结果可知，缸盖第1阶模态频率从1 223 Hz提高至1 386 Hz，提高了13.3%，且其它阶模态频率也有明显改善。

1 前言

汽车的噪声问题越来越受到关注，而发动机作为汽车的主要噪声源，不仅影响车内乘客的乘坐舒适性，其性能的好坏也直接影响着整车NVH水平[1]。发动机缸盖是发动机中结构最复杂、刚度最大的零部件，而且是振动噪声最直接、最大的传递路径之一[2]。因此，对发动机缸盖进行结构优化，提高缸盖的刚度和模态频率，对降低发动机的噪声具有很重要的现实意义。

国内外许多研究人员对发动机缸盖的特性方面做了大量工作，但以往的研究大多是对缸盖水套散热、强度和疲劳分析，而对缸盖整体模态优化的研究却很少。本文利用Pro/E软件的三维几何造型技术建立某发动机缸盖的几何实体模型，然后利用Abaqus软件对其模型进行综合性分析研究。

2 缸盖的有限元模型

由于网格数量过多会增加计算工作量，并且对提高计算精度的作用可以忽略不计，因此在建立汽油机缸盖实体数模时，需要对机体实际结构进行等效简化处理，即忽略某些不起主要作用的细节，如较小的过度圆角、倒角、销孔、定位孔等，并对小于2 mm的线、面、体几何元素进行处理[3，4]。

在Pro/E软件中建立好模型后，通过Pro/E和Abaqus软件之间的接口，将其导入到Abaqus软件中进行网格划分、赋予材料属性和定义载荷步等工作，进而建立有限元计算分析模型。

对缸盖实体数模进行有限元网格划分时，由于实体建模阶段对几何特征进行了简化，得到的模型相对比较规则，因此模型计算采用10节点四面体单元（C3D10）来划分整个缸盖数模，单元长度选取6 mm，将实体模型划分成201126个单元、373 826个节点，由此建立的某发动机缸盖的有限元模型如图1所示。

3 模态分析

3.1 基本理论

在有限元分析中，具有连续质量的结构可以离散为有限个单元组成的模型，在线性范围内，物理坐标系的自由振动响应为主振动的线性叠加，每个主振动都是一种特定形态的自由振动，振动频率即系统的固有频率，振动形态即系统的主振型，因此线性系统结构有限元模型的振动微分方程为[5]：

式中，M为有限元模型的总体质量矩阵；K为有限元模型的总体刚度矩阵；x为节点位移向量；C为阻尼矩阵；F（t）为激振力向量。

仿真计算模态分析时，可令激振力向量为零，又因为阻尼对铸铝件的缸盖模态频率几乎没有影响，因此有限元模型可简化为无阻尼自由振动进行计算：

若使方程（2）存在非零解的条件成立，则其特征方程必须恒等于零，因此发动机缸盖自由振动的各阶固有频率ω可由以下特征方程求得：

当固有频率ω为特征方程（3）的重根时，将其代入方程（4）可以求得对应的各阶振型Ψ。

当ω是方程（3）的单根时，将其带入特征矩阵：

求得该特征矩阵的伴随矩阵:

则该伴随矩阵的任一非零列向量即为固有频率ω所对应的振型。

3.2 缸盖自由模态分析

因缸盖刚度很大且主要以高频振动为主，所以安装在机体上的缸盖模态函数与自由状态下的缸盖几乎没有差别，所以在有限元分析软件中利用上述模态基本原理求解其自由模态。在有限元软件中设置好材料参数和载荷步，计算所得前3阶主要模态频率及振型分别如表1和图2所示。

表1 缸盖自由模态频率Hz

由图2可以看出，缸盖的第1阶为整体扭转模态，第2阶为缸盖纵向弯曲振型，第3阶为缸盖横向弯曲振型。而在噪声振动传递中，缸盖纵向弯曲和横向弯曲振动对发动机其它零部件噪声影响较大，且其为正时罩、缸盖罩等薄壁件类辐射噪声的主要激励源。所以，要降低发动机的整体辐射噪声水平，必须提高缸盖的结构模态频率，减少其振动能量传递。

3.3 试验模态分析

模态测试的主要目的是验证仿真计算结果的准确性，其测量系统主要由力锤、力传感器、加速传感器、LMS Test.Lab采集前端、数据分析（笔记本电脑）5部分构成，具体缸盖测点布置如图3所示。

模态试验采用锤击冲击激励方式，模态力锤上采用美国PCB公司的086C03力传感器；振动测量采用美国PCB公司的356A26三向加速度传感器，灵敏度为50.5 mV/g；采集前端为比利时LMS公司的SCM05，为16通道数据采集系统；数据分析软件为LMS公司Test.lab11A的Modal Analysis模块；试验支撑方式选择自由悬挂[6]。应用LMS软件对缸盖总体传递函数采用多参考点最小二乘复频率法（PolyMAX）进行模态识别，选取采样频率为3 500 Hz，增加汉宁窗，为提高信噪比在每个激振点上敲击8次，进而对8次所测得的响应数据进行线性平均。缸盖模态识别状态如图4所示。

从图4中可以看出，对数据进行32阶模态识别的结果较为理想，图中曲线重合部分对应的频率为前3阶缸盖自由模态频率。

为了验证有限元分析结果与试验结果的吻合程度，对两者的前3阶模态频率进行对比，见表2；试验振型如图5所示。

表2 缸盖模态频率试验值与有限元计算值的对比

从Abaqus计算结果和模态试验结果对比来看，两者振型一致，且相应频率的误差小于3%，因此缸盖的模态计算结果较为真实的反映了缸盖的固有特性，所建立的有限元模型正确。

4 结构优化

缸盖噪声主要由机械振动引起，而缸盖的机械激振主要发生在气门座和凸轮轴承盖处。所以，提高气门座和轴承的刚度是降低发动机传递噪声的最佳方法。采取改变缸盖不同部位的尺寸参数、均匀分布质量、侧面合理加筋、缸盖法兰边加宽等优化处理措施；合理调整气道与水道在气缸盖中的布置位置，对受力较小的区域进行减重处理；在考虑制造工艺性等因素的前提下，最后提出缸盖的最佳修改方案。对缸盖优化后的仿真计算结果如图6所示。缸盖优化前与优化后模态频率对比分析如表3所列。

表3 缸盖优化前与优化后模态频率对比

从表3可以看出，缸盖优化后第1阶模态频率提高了13.3%，其它两阶模态频率也相应提高了8.5%和9.1%，因此优化后能很好的避开缸盖低频率段的共振频率，增加缸盖对传递能量的衰减，对整体降低发动机表面辐射噪声有现实意义。

5 结束语

a.利用有限元法对缸盖进行了自由模态分析计算，并且通过模态试验测试，验证了其有限元数模的准确性和简化的合理性，也为缸盖进一步结构优化设计打下基础。

b.通过对缸盖结构参数的研究，提出了缸盖最佳修改方案，从而使缸盖的第1阶模态频率提高了13.3%，改善了缸盖结构衰减特性，提高了发动机减振降噪性能。

1庞剑，沾刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用.北京:北京理工大学出版社，2006.

2钱人一.汽车发动机噪声控制.上海:同济大学出版社，1997，81～97.

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

4高琦.柴油机覆盖件模态分析及其优化:[学位论文].长春：吉林大学，2007，33～34.

5廖日东.发动机零部件有限元技术应用的新进展.内燃机学报，1999，17（2）：191～197.

6张力，林建龙，项辉宇.模态分析与试验.北京:清华大学出版社，2001，51～53.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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

发动机缸盖模态分析优化设计

U464.1

A

1000-3703（2014）07-0011-03