发动机水管的模态试验与仿真对标研究

赵建兵 李浩亮 林文干 杨剑

东风汽车股份有限公司商品研发院 湖北武汉 430057

1 前言

随着汽车行业进入存量竞争的时代，各大车企为抢占市场，新车型的开发周期越来越短。NVH作为衡量汽车制造质量的一个综合性要素，已经贯穿于新品研发的各个设计、生产环节。此开发模式为从根本上解决NVH问题提供了技术保障，但同时也加重了各部件级、零件级设计者的负担，因此各零部件的NVH目标值的准确与否变得至关重要。

水管作为发动机冷却系统各部件的连接单元，其一阶模态固有频率需避开发动机最高转速的二阶激励频率，这样才能避免发生共振，提高其可靠性耐久性。为了确定水管原装状态下的模态目标值，本文通过试验与仿真对标的方法，对四种CAE分析方案进行了探究，最终确定附加水质量的分析方案准确、高效。

2 问题现状分析

某款发动机在台架进行冷热冲击耐久试验时，水管支架总是出现开裂情况，设计人员认为是共振导致。但是该款发动机怠速转速为750 r/min，最高转速为3 600 r/min，冷热冲击试验过程中的扫频激励范围为25～120 Hz，而水管约束模态的CAE分析结果显示一阶固有频率为145Hz，理论上已经完美避频。针对此类水管、油箱等涉及液固耦合的零部件，相关文献表明：与空油箱相比，含有燃油的油箱模态频率较低[1]； 模型的建模方案不同，模态分析结果也有较大差异[2]。对此，为探究本单位目前应用的CAE分析方案的准确性，本文进行了后续研究。

3 模态试验分析

模态试验可同时测量试验构件的输出与输出，经软件处理后得到其传递函数，然后通过各种参数识别方法得到结构的各阶模态频率和振型。本次试验只为对标发动机水管的一阶固有频率，因此只进行了单点传递函数的测试。选取发动机三种型号的水管进行模态测试，内径分别为12 mm、19 mm和33 mm，如图1所示。试验时将钢管两端的橡胶管断开，进行“干模态”测试。

为模拟发动机运行时水管的充水状态，将水管拆下浸没于水中用塑料膜、扎带两端密封，重新安装后，进行“湿模态”测试。测试结果如图2所示。

对比图2a、2c、2e与图2b、2d、2f 可知，发动机水管充水后，其一阶固有频率显著降低，说明水管是否有水对模态频率影响较大。CAE仿真分析时，不能忽略水的存在，至于哪种分析方案较为准确需要进一步研究。在水管充水进行湿模态测试时，随着管径的增大，其密封难度也增大，图2d和图2f的传递函数曲线出现较紊乱的峰值，推断是在受力锤冲击后，管中水的震荡所致。

4 仿真模态分析

本文为了探究有限元模型的准确性，分别进行了无水与有水状态的模态对标。有限元分析模型主要由水管和支架构成，管壁采用壳单元，网格尺寸约4 mm，支架由于是钣金件，也采用壳单元，网格尺寸根据支架大小而定，确保网格质量不会影响计算结果。水管与支架采用RBE2单元连接，约束支架在发动机上的安装孔位置，进行约束模态分析。

图1 三种型号发动机水管

图2 三种型号水管一阶频率测试结果

4.1 分析方案

方案一：

进行干模态对标，忽略水的影响，仅考虑水管壳体，水管单元密度为水管材料的真实密度。

方案二：

在方案一的基础上进行改进，根据模态测试时的传感器安装位置，在有限元模型的对应位置上附加传感器质量，经称量，传感器质量为24 g。

方案三：

进行湿模态对标，附加水的质量，可通过增加管壁密度或均匀附加质量点的方法实现，最终确保除支架外的模型总质量等于水和钢管的质量和，同时在相应位置附加传感器质量。

方案四：

进行湿模态对标，采用液固耦合的方法进行分析。划分管内水所占体积网格，赋予声学单元属性，定义压力边界条件和偶合面。

4.2 分析结果

利用OptiStruct求解器和Virtual.lab的Acoustic FEM模块，计算上述四种方案的模态。在图3～图5中，分别表述了方案一、方案二、方案三、方案四的分析结果。

图3 内径12 mm水管模态仿真分析结果

图4 内径19 mm水管模态仿真分析结果

图5 内径33 mm水管模态仿真分析结果

5 结果对标分析

整理上述的模态试验结果和仿真分析结果，如表1所示。

表1 水管干湿模态试验与仿真结果

对比表1中第二、三列数据，模态仿真计算时，若不考虑传感器质量的影响，仿真结果误差较大。内径12 mm水管一阶模态频率误差最大，高达26.8%，内径19 mm水管误差为12.4%；内径33 mm水管误差为19.7%。

对比表1中第二、四列数据，模态仿真计算时，在对应位置附加传感器质量后，内径12 mm水管一阶模态频率误差明显降低，降为2.2%；内径19 mm水管误差降低效果一般，降为7.4%；内径33 mm水管误差降低效果不明显，仅降为16.9%。分析原因，当进行水管模态仿真与试验对标时，若传感器布置在刚度较弱的位置，仿真分析时不可忽略传感器质量的影响，必须在有限元模型对应位置附加传感器质量。

对比表1中第二、五列数据，当发动机水管充满水时，一阶模态频率明显降低。因此在制定发动机水管一阶模态频率目标值时，应以湿模态频率为指标，这样才能有效地实现模态分离。

对比表1中第五、六、七列数据，对于三种型号的水管，附加水质量的分析方法误差分别为4.3%，12.9%，8.7%；而耦合模态仿真分析方法误差分别为20.1%，25.7%，40.9%。虽然有关文献表明，耦合模态分析方法更适用于湿模态计算，但本文数据显示，对于发动机水管的约束湿模态分析，附加水质量的方法更为合适，误差较小且高效。

分析原因，对于此类约束模态而言，一阶模态主要为支架模态，主要与支架刚度和水管质量有关，因此充水后附加的质量对频率影响较大。液固耦合作用虽然对水管在自由边界条件下的低阶模态刚度有提高的效果，但是对约束边界条件下的模态频率影响较小，如表1第四、七列所示。

6 结语

本文主要通过对三种型号的发动机水管进行原装支撑干、湿模态试验分析，并与有限元模型的四种方案的分析案结果进行对标，得出以下结论：

a.对发动机水管进行模态仿真与试验对标时，若传感器布置在刚度较弱位置，仿真分析时必须考虑传感器质量的影响。

b.在制定发动机水管一阶模态频率目标值时，应以湿模态频率为指标，否则设计的水管可能会出现共振，导致水管支架开裂。

c.对于发动机水管湿模态仿真分析，附加水质量的分析方法较为准确、高效。