1、基于OptiStruct的發(fā)動機進氣系統(tǒng)動態(tài)響應分析張貝，黃鵬程，陳凱（泛亞汽車技術中心有限公司、上海、201201）摘要:本文基于OptiStruct的模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)動力學分析功能，分析了某發(fā)動機進氣系統(tǒng)在 臺架實驗振動激勵下的動態(tài)應力，并計算了節(jié)氣門體的加速度峰值。文章首先介紹了發(fā)動機進 氣系統(tǒng)結構分析方法，然后通過對比三種進氣系統(tǒng)設計方案，討論了不同的支架設計對進氣歧 管和節(jié)氣門體結構性能的影響，為設計開發(fā)提供了合理的建議，最后通過了試驗驗證。關鍵詞：OptiStruct進氣歧管節(jié)氣門動態(tài)響應Abstract： Applying OptiStructs modal analysis an

2、d steady state dynamic analysis, the paper is analyzed the dynamic stress of intake manifold & throttle body under vibration acceleration of physical test. The theory of steady state dynamic analysis was introduced at first, then the paper compared the vibration performance of three intake manifold

3、design, and at last the best design was suggested by the paper. The analysis was validated by physical test.Key words： OptiStruct, Intake Manifold, Throttle body, Dynamic response引言進氣系統(tǒng)是指將空氣或者混合氣導入發(fā)動機汽缸內的零部件集合，包含進氣岐管、節(jié)氣門、 進氣門機構等。進氣系統(tǒng)的功能是為發(fā)動機提供清潔、干燥、溫度適當?shù)目諝膺M行燃燒，以最 大限度的降低發(fā)動機磨損并保持最佳的發(fā)動機性能，在合理的保養(yǎng)間隔內有效的過

4、濾灰塵并保 持進氣阻力在規(guī)定的限制內。由于進氣端的溫度較低，復合材料開始成為熱門的進氣岐管材質，其質輕而內部光滑，能 有效減小阻力，增加進氣的效率。然而，因為輕量復合材料的使用，使進氣系統(tǒng)的固有頻率比 金屬進氣岐管低，因此需要校核進氣岐管在工作狀態(tài)下的強度，同時節(jié)氣門體需要滿足振動加 速度的要求。本文以某發(fā)動機項目為例，對塑料進氣岐管和節(jié)氣門體進行了動態(tài)響應分析。在某轎車用發(fā)動機項目的開發(fā)早期，為校核進氣系統(tǒng)的結構強度，確定節(jié)氣門體的支架設 計方案，通過CAE分析結構動態(tài)響應來評價各種預備方案下，進氣歧管本體的強度和節(jié)氣門體 的振動加速度，以為設計提供指導。開發(fā)階段的后期，通過試驗與CAE仿真

5、結果的對比，驗證 了分析方法的可行性。圖1.進氣系統(tǒng)示意圖仿真模型與邊界條件2.1仿真思路首先，通過模態(tài)計算檢驗三個進氣系統(tǒng)模型的固有頻率是否能達到目標值。如果模態(tài)能滿足要 求，說明結構總體剛度具有一定余量，無須進行后續(xù)動態(tài)計算；如果模態(tài)不能滿足要求，則進 行動態(tài)響應分析，校核結構動態(tài)強度和振動加速度，并進行優(yōu)化，選擇一個能達到目標的方案。 具體仿真流程見圖2。圖2.仿真流程基于模態(tài)疊加法的穩(wěn)態(tài)動力學分析簡介基于模態(tài)疊加法的穩(wěn)態(tài)動力學分析的思路是：先提取無阻尼系統(tǒng)的特征模態(tài)，通過變換使系統(tǒng) 解耦，得到一組用模態(tài)坐標表示的單自由度運動方程。求解各單自由度運動方程得到系統(tǒng)在模 態(tài)坐標下的穩(wěn)態(tài)響應后

6、，通過變換獲得系統(tǒng)在物理坐標下的穩(wěn)態(tài)響應，簡要介紹如下。對于多自由度系統(tǒng)，如果考慮粘性阻尼，則其受迫振動的微分方程為：MU + Cii + Ku = f (t)(1)設已解出系統(tǒng)的各階固有頻率為，,.,和各階主振型為。，。,.,。，因為主振型的正交 12n12n性，可以證明主振型是線性無關的。因此，對于n個自由度系統(tǒng)的任何振動形式，都可以表示 為這n個正交的主振型的線性組合，即存在常數(shù)& 1，,., &n，使：寫成矩陣形式為:n,、u = z EO (2)i ij=1u = EO (3)上式就是展開定理，用模態(tài)疊加法求系統(tǒng)動力響應就是建立在展開定理的基礎上。根據展開定理，對方程（1）實行坐標變

7、換，再用模態(tài)矩陣的轉置O T前乘方程的兩邊，得：OTmOE，+ O t cOE + OT kOE = OT f。)若系統(tǒng)為比例阻尼，可用正交條件使上述方程解耦，變?yōu)橐幌盗邢嗷オ毩⒌姆匠探M:ME + C E, + KE = f (5)其中，M , C , K都是對角陣，它們的對角線元素分別為:)c = OTCO2 = k / mi = 1,2,., n廣義力為:=O : fG)這樣，方程組（5）可以寫為:i = 1,2,., n (6)這是n個相互獨立的單自由度系統(tǒng)的運動方程，每一個方程都可以按單自由度系統(tǒng)的振動理論 去求解。從方程（6）中解得E.后，再將其代入方程（2）求得廣義坐標u的解。下面

8、以簡諧激 勵為例說明。若f.為簡諧激勵，即:（7）設系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應為:三=a ejs （8）將（8）代入方程（6）,可以解得:在&解出后，代入式（2），解得u。i上述即為用模態(tài)疊加法做動態(tài)響應分析的簡要過程。2.3有限元模型本文中討論了三種進氣系統(tǒng)的設計方案，分別命名為模型A、B、C。其中，方案A的包含 進氣歧管和節(jié)氣門體；模型8在人的基礎上，增加了一個裝配在缸蓋上的節(jié)氣門體支架；模型C 在A的基礎上，包含一個裝配在凸輪軸罩蓋上的節(jié)氣門體支架，如圖3所示。其中，節(jié)氣門體 材料為鑄鋁，進氣岐管材料為塑料。M* A tnoulkicdel D rtilh tm點 bracketMc-dd C 商出

9、 ar山twr brnckd圖3.三種計算方案的CAD與CAE模型2.4邊界條件（1） 固定約束邊界條件：在模態(tài)分析中，對三個模型都需要約束進氣歧管法蘭面上與缸 蓋相連的螺栓孔；另外，對模型B和C，要分別約束住支架固定到缸蓋或凸輪軸 罩蓋上的螺栓孔。（2）臺架實驗激勵：在穩(wěn)態(tài)響應分析中，對步驟（1）中的約束點施加由臺架實驗測得的加速度激勵曲線，如圖4。圖4.臺架實驗測得進氣歧管法蘭面上激勵（橫軸為頻率，縱軸為加速度）2.5 計算工況（1）通過模態(tài)分析，獲得各模型在約束狀態(tài)下的固有頻率。（2）而后基于模態(tài)分析的結果做穩(wěn)態(tài)動力學分析。計算結果及分析3.1模態(tài)分析結果各模型的模態(tài)計算結果為：在對應階

10、次上，方案C的固有頻率大于B，而方案B的大于方案A， 即增加支架提高了系統(tǒng)的剛度。各模型的第一階模態(tài)結果如圖5所示，其中模型B的第一階固 有頻率比模型A高10Hz，模型C的第一階固有頻率比模型B的第一階固有頻率高20Hz。但 三個模型的第一階固有頻率都遠小于目標值，因此需要進一步進行動態(tài)響應分析，校核工作狀 態(tài)下零件的安全性。模T頃冷帶-階模芯憧型nil。尼階股態(tài)圖5.各方案的第一階模態(tài)振型模型c -階段志節(jié)氣門體上的加速度響應各模型節(jié)氣門體上最大加速度點的加速度響應曲線如圖6所示。從圖中可知，模型B的響應峰 值最大，同時模型B和模型C的加速度響應峰值均大于模型A的峰值。分析模型B可知，其 包

11、含一個裝配在缸蓋上的支架，而缸蓋正好是一個激勵源，因此導致節(jié)氣門體上的加速度增大 而模型C也是同樣的原因。模型A、B、C均是在其對應的第三階頻率附近出現(xiàn)相應峰值，其原因是：各模型的第三階模 態(tài)的振型主要表現(xiàn)為在Z方向的振動，而外界激勵也是在Z方向數(shù)值最大，二者吻合時出現(xiàn)響 應最大峰值。從模態(tài)分析結果可知，模型A、B、C的剛度依次增大，因此對應出現(xiàn)峰值的頻 率段也依次靠后。對比加速度的峰值可知，方案A的振動加速度最小，能滿足節(jié)氣門體對加 速度的要求，因此優(yōu)先選用該方案。后期通過試驗表明，該結果與實驗結果吻合。Fluency圖6.各模型節(jié)氣門體上最大加速度點的加速度響應曲線=3氏節(jié)氣門陣上雄*打說

12、磨點的餉路宙眼5匚掙無岳-田是進氣岐管本體的動態(tài)應力各模型進氣歧管本體的動態(tài)應力響應曲線如圖7所示，模型A、B、C均是在其相應的第三階 固有頻率附近出現(xiàn)相應峰值，其原因也與上相同：各模型的第三階模態(tài)的振型主要體現(xiàn)為在Z 方向的振動，而外界激勵也是在Z方向數(shù)值最大，所以，對各模型而言，其第三階固有頻率附 近的響應峰值會大于其它階固有頻率附近的響應峰值。圖7.各模型進氣歧管上最大主應力點的動態(tài)應力曲線4.結語本文介紹了利用OptiStruct分析進氣系統(tǒng)中進氣歧管動態(tài)應力、節(jié)氣門體振動加速度的過程， 討論了三種進氣系統(tǒng)設計方案的響應結果，通過分析可知： （1）對節(jié)氣門體振動加速度的評價指標，帶支架的兩種設計方案即模型B、C的響應較模型A （不帶支架的設計方案）大，因為支架連接在激勵源上。因此，建議取消節(jié)氣門體與缸 蓋之間的連接，該分析結果與后期