某汽车发动机机体模态分析

朱宇龙，王淑芬，李玉光

（大连大学 机械工程学院，辽宁大连 116622）

随着科技的飞跃，机械工业得到高速发展，中国汽车产业已进入稳健增长期，车型品质的提升已取代产能的增长成为发展的主流，这对汽车的噪声、振动与声振粗糙度（Nooise，Vibration＆Harshness，即NVH）提出日益苛刻的要求，使得汽车NVH性能越来越受到重视，成为衡量汽车品质最重要的指标之一[1]。

而汽车发动机是汽车最主要的振动噪声源之一，发动机内部振源（燃烧激励、机械激励）激励发动机机体振动并向外辐射噪声，而对机体结构进行模态分析不仅是初期结构设计的核心，也是后期进行结构振动噪声分析的基础。通过模态分析，可事先预知结构变形趋势，可分析得出结构哪些地方刚度较低需要改进，为后续频率响应的计算提供基础条件[2]。

以往的产品结构设计，常常采用实验的方法来获取结构的模态参数，但是实验成本较高，周期也长，而且在产品设计阶段无法进行。因此，现在一般在设计初期采用仿真软件来代替实验，不仅缩短产品研发周期、节约研发经费，而且在设计阶段能对产品有一定的预估，保证产品质量。本文采用有限元方法，利用Workbench建立某车型发动机机体有限元模型，进行模态分析。

1 发动机机体结构有限元建模

1.1 发动机机体三维模型建立

建立发动机机体三维模型是进行分析的基础，同时，为提高之后有限元建模计算效率，需要对三维模型进行合理的简化。发动机机体主要由缸盖、缸体、气缸盖罩、油底壳组成，根据其实际装配，在Catia中建立了发动机机体装配模型，并对其中的油孔、水道以及较小的倒角、圆角进行合理的简化。建立的三维装配体模型如图1所示。

图1 发动机机体三维模型

1.2 发动机机体有限元模型建立

将建立好的发动机机体三维装配体模型导入到Ansys Workbench中进行有限元模型的建立。

首先设置各部分的材料参数。由于发动机缸盖、缸体、气缸盖罩、油底壳分别承担不同的作用、有不同的工作环境，因此材料是不同的。发动机机体各部分材料参数如表1所示。

表1 材料参数

然后进行网格划分。现今很多研究人员在进行复杂结构的网格划分时经常采用网格智能划分（Smart Size）来进行有限元网格划分，但它划分出来的网格很不均匀，产生大小不一的单元。而机体的模态分析主要是想得到机体各部分的振型，这就要求网格划分要均匀[3]。因此采用自由网格划分，十分快捷。单元尺寸设置为10 mm，得到的发动机机体有限元模型如图2所示。建立的有限元模型有557631个单元，979585个节点。

图2 发动机机体有限元模型

2 发动机机体模态分析

2.1 模态分析概述

结构模态是由结构本身的特性与材料特性所决定的，与外载荷等条件无关。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。将物理模型转化为模态模型，即用已知结构的几何形状、材料参数和边界条件，将结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布分别通过质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表示出来，从而得到系统的模态参数[4]。系统的无阻尼自由振动方程为：

式(1)中，[M]为系统质量矩阵，[K]为刚度矩阵，[C]是阻尼矩阵，{x}为位移矢量，{x'}为速度矢量，{x''}为加速度矢量。

由以上两方程求解发动机机体的模态振型和固有频率。

2.2 机体模态分析

模态是机械结构固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率振型。但理论与实践均指出，当结构体在动载荷激励下产生共振时，一般只是低阶共振情况比较危险[3]。因此在模态分析时，一般不需要求出结构所有模态的振型和固有频率，主要关注前几阶模态振型和固有频率。本文对发动机机体进行自由模态分析，除去前六阶刚体模态，提取之后的八阶模态进行分析。计算的固有频率值如表2所示，八阶模态振型如图3所示。

表2 发动机机体的前八阶固有频率值

图3 发动机机体前八阶模态振型

2.3 结果分析

从模态分析的结果可以看出，发动机机体的模态振型主要表现为弯曲和扭转变形。其中，1阶、2阶和3阶振型主要为弯曲变形，形变量较小，最大相对变形主要集中在油底壳右下端部分。4阶振型缸体、气缸盖罩和油底壳出现明显的扭转变形和弯曲变形，主要是机体整体的扭振，其中最大相对变形主要位于气缸盖罩部分。5阶振型为缸盖、缸体和油底壳的弯曲变形，最大相对变形部位是油底壳的弯曲变形。6阶振型为油底壳和缸体的少量的弯曲变形，其他部位没有明显变形。7阶振兴主要为缸盖、缸体及油底壳的弯曲变形和轻微的扭转变形，最大相对变形部位为缸体外侧的法兰盘部位。8阶振型为油底壳的弯曲变形，其他部位无明显变形。

综上所述，发动机机体形变较大的部位主要集中于上部和底部，即气缸盖罩和油底壳。主要是因为油底壳是薄壁结构，刚度较小，可以通过加厚壁、加加强筋、涂抹大阻尼材料等方法提高其局部刚度。该汽车发动机工作时，最大转速为6000 rpm，对应的四个缸燃烧振动频率为200 Hz，远小于一阶模态的固有频率699.65，因此不会激发共振。

3 结语

本文利用Catia和Ansys Workbench对某汽车发动机机体结构进行了模态分析，求出了其模态振型和固有频率值。并对模态计算结果进行分析，对振型进行了描述，分析了主要形变部位，并预测出结构变形趋势，分析得出油底壳和气缸盖罩刚度较低，可能是发动机工作状态下受激励产生振动辐射噪声较大的部位，同时，为后续结构设计改进以及振动噪声响应分析提供基础条件。