汽车空调压缩机支架模态优化

2017-05-30梁文昌李书阳赵华

企业科技与发展 2017年7期

梁文昌　李书阳　赵华

【摘要】空调压缩机是空调系统的核心部件，通过支架安装在发动机缸体上，导致支架长期处于振动的恶劣工作环境中，容易引起空调压缩机发生振动，导致空调压缩机不能平稳、安全、可靠地进行工作，影响发动机的性能，并影响到整车的NVH性能。因此，空调压缩机支架的结构设计直接影响整车的NVH品质。文章通过有限元分析的方法，对空调压缩机支架进行了模态分析，并对支架进行了结构优化，实现了支架模态提升的预期效果。

【关键词】压缩机支架；模态分析；NVH；结构优化

【中图分类号】U463.851 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）07-0018-04

0 前言

随着人们生活水平的日益提高，汽车保有量与日俱增，人们对汽车安全性、环保性及舒适性的要求也在不断地提高。汽车厂商越来越重视振动、噪声的性能，并将其作为新车型的一个主要亮点，汽车的振动、噪声与舒适性给用户带来直接的听觉和触觉的感受。业界噪声、振动及舒适性（Noise、Vibration、Harshness）统称为车辆的NVH问题[1]。空调压缩机是空调系统的核心部件，通过支架安装在发动机上，这也决定了其处于振动的恶劣工作环境中，自身的振动容易被发动机激发，从而产生轰鸣现象。本文主要对压缩机支架模态进行有限元分析，并为支架模态提升确定了结构优化的方向。

1 模态分析理论

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，不会随着边界条件的改变而发生变化。通过对某一结构进行模态分析可以得知该结构在不同阶次频率下的模态特征，也可以求解该结构在不同边界条件下不同频率段的响应。所以，对于结构的设计及故障分析，模态分析都是一种十分重要的分析手段。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：？譹？訛评估系统结构的动态特性；？譺？訛预估新产品的动态特性及优化设计；？譻？訛结构故障诊断与预报；？譼？訛降低结构噪声。

就一个多自由度结构来说，其一般的运动都是由振动模态合成的。模态分析的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼及无外载荷状态下的运动方程的模态矢量，系统自由振动方程的矩阵表达式如下：

本文用MSC/Nastran程序来提取车身结构的固有频率和模态，MSC/Nastran提供3种解法。

（1）跟踪法。跟踪法的本质是迭代法。如果仅仅求取少量的特征值，即固有频率，特征法是一种很方便的方法。MSC/NASTRAN中，跟踪法提供2种迭代方法，一种是逆幂法（INV），另一种是移位逆幂法（SINV）。逆幂法存在丢根现象，移位逆幂法由于采用STRUM系列可以避免丢根，改善收敛性。逆幂法和移位逆幂法均用模型数据卡EIGR来定义，并用情况控制指令METHOD来选取。

（2）变换法。特征方程变换如下：

Aφ=ω2φ（6）

其中，A表示采用Givens法或Householder法求得的三角矩阵。变换法可以通过一次求解过程来获取全部的特征值，即固有频率。变换法可以求解出大部分或者全部的特征值即固有頻率。变换法适用于维数较小的矩阵；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]矩阵正定，修正吉文斯法（MGIV）与修正的郝斯厚德法（MHOU）允许[M]是奇异的，从而可求解刚体模态。变换法用模型数据卡EIGR来描述，按情况控制METHOD选取。

表1中，SID为卡片编号；METHOD为特征值提取方法；F1、F2为计算的频率段；NE为迭代次数（当使用逆幂法时）；ND为设定根的数量（当使用逆幂法时，根的数量一般是迭代次数的3倍）。

（3）兰索士法。兰索士（Lanczos）法是一种将跟踪法和变换组合起来的新的特征值解法；对计算非常大的稀疏矩阵几个特征值问题最有效；兰索士法用模型数据卡EIGRL描述，用情况控制METHOD选取。

表2中，SID为卡片编号；V1、V2为计算的频率段；ND为设定根的数量；MSGLVL为控制特征值输出的数量。

3种特征值提取方法的比较见表3。

2 空调压缩机支架有限元模态分析

2.1 有限元模型

考虑到空调压缩机支架的实际工况，在进行有限元分析时，模型除了空调压缩机支架外，还应包括与之相关联的零部件，主要包括空调压缩机和部分发动机缸体、油底壳、盖板、安装螺栓等。使用通用的前处理软件HyperMesh进行网格建模，并定义好各部件的材料属性及零部件之间的连接关系。各部件的材料参数见表4。

2.2 约束条件

自由模态分析仅能反映出压缩机支架本身的结构特性，无法体现其正常运行工况下的工作特性，故本文分析压缩机支架的约束模态，将压缩机用螺栓连接到支架上，再将支架固定在发动机缸体上，最后将缸体、油底壳和盖板的截断位置自由度进行全约束（如图1所示）。

2.3 分析结果

模态的评价标准：零部件一阶模态设计频率fmin>（1.3±0.1）×f，f为发动机最大转速对应的点火频率。本文分析的空调压缩机安装在最大转速为6 000 rpm的发动机上，发动机最大转速对应的点火频率f为200 Hz，所以fmin>240～280 Hz。

使用Nastran求解器进行求解，由图2可知压缩机支架的一阶固有频率为217 Hz，低于模态评价标准，需要进行结构优化。

3 空调压缩机支架模态优化

3.1 对压缩机支架进行模态应变能分析

在车身的模态分析中，第i阶模态的第j单元的模态应变能（MSE）定义如下：

MSEij={φi}T[Kj]{φi}（7）

式（7）中：{φi}为第i阶模态的振型；Kj为j单元刚度矩阵[2]。

由式（7）可知，单元应变能越高，局部位移越大，结构的刚度就越低[3]。在压缩机支架模态分析中，某阶模态应变能的分布反映出支架在该模态振型下变形的区域，即反映支架的刚度分布情况。

壓缩机支架第一阶模态频率的模态应变能的分析结果如图3所示。

模态应变能高的区域主要集中在空调压缩机支架上侧，位于空调压缩机安装点与支架安装点之间，考虑到支架受空调压缩机的空间结构限制，确定优化方向：在支架安装点及空调压缩机安装孔之间的位置增加加强筋结构，加强筋上部结构随着空调压缩机外部壳体结构做成弧形状，并将左侧安装孔的加强筋跨度加大，优化前后的结构对比如图4所示。

3.2 结构优化后的分析结果

结构优化后的空调压缩机支架一阶模态频率为259 Hz，比结构优化前的支架模态频率提高了42 Hz，提高幅度为19.3%，且满足模态的评价标准。结构优化后的模态云图如图5所示。

4 空调压缩机支架模态测试验证

为验证空调压缩机支架模态仿真分析的可靠性，对结构优化前后的2种支架进行模态测试。

按照支架数模制作实物样件，将支架及空调压缩机装配到发动机缸体上，使用锤击法进行模态试验（如图6、图7、图8所示）。

从试验结果来看，结构优化前的支架样件的一阶模态分别为202 Hz和257 Hz，测试模态提高了55 Hz，优化后的支架一阶模态频率比优化前提高了27.2%，虽然和仿真结果相比有略有偏差，但说明仿真分析的结构优化方案非常有效果。

5 结论

（1）通过对空调压缩机支架模态进行有限元分析，能够在开发前期判断支架的结构设计是否满足模态要求。

（2）针对未满足设计要求的支架，通过分析支架的模态应变能，找出薄弱位置，能够快速确定结构优化的方向，提高优化效率。

（3）通过模态实验来验证有限元模态分析的准确性，为今后对压缩机支架模态的分析优化积累了经验。

参考文献

[1]刘显臣.汽车NVH综合技术[M].北京：机械工业出版社，2014.