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发动机研发中的动力学有限元分析 |
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作者：长安汽车股份有限公司 周舟 |
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摘要：本文阐述了发动机（包括动力总成）开发中应用MSC.ADAMS和MSC.Nastran 软件完成的动力学和有限元分析内容，并结合长安公司的产品开发，详述了几个典型的分析算例，它们分别是：曲轴系分析、缸体缸盖一体化分析、配气机构分析、常用附件结构分析、动力总成模态分析以及动力总成悬置系统分析。这些算例表明，CAE 分析技术逐渐成为发动机开发过程中的重要技术手段。
1 概述
随着现代发动机技术的发展，CAE 分析在新型发动机开发过程中地位不断提高，逐渐成为了与传统试验平行的开发手段。新机型在开发过程中的需要考虑的刚度、强度、疲劳、振动、噪声等问题，都可以在设计阶段应用CAE 手段解决，大幅度提高设计质量，缩短开发周期，节省开发费用，避免产品在投放市场时出现致命的质量问题。
在发动机的CAE 分析中，主要可分为性能分析、流场分析以及结构分析三个研究方向，其中结构分析是针对零部件级（比如活塞、连杆等）、子系统级（比如曲轴系）和总成级（比如整机和动力总成）三个级别的对象进行动力学和有限元分析，主要分析内容包括分析各级别对象的刚度、强度、疲劳、模态、温度、刚体运动、弹性振动等。根据现代发动机开发的要求以及以往的开发经验，发动结构分析的基本内容如图1 所示。
MSC.ADAMS 以运动学和动力学分析见长，可有效地对发动机中的运动机构进行分析，其中MSC.ADAMS/Engine 模块提供了若干发动机常用部件的分析模块。MSC.Nastran 则是以成熟的有限元分析技术在发动机结构分析领域占有重要的地位。本文将结合长安公司的产品开发，详细论述几个应用MSC.ADAMS 和MSC.Nastran 完成的发动机结构分析算例。
图1 发动机结构分析基本内容
2 典型分析算例
2.1 曲轴系分析
曲轴是发动机中结构比较复杂，承受载荷比较大的零件。在曲轴的工作过程中，疲劳失效往往是其失效的主要原因，因此，对曲轴疲劳性能研究显得尤为重要。由于曲轴属于高速旋转部件，若采用传统的静强度分析方面，则不能准确地反映曲轴在工作状态下真实的受力情况。所以，本文采用了基于动力学分析的曲轴强度分析方法。
首先，对发动机曲轴系（包括曲轴、连杆、主轴承座等）进行符合实际的三维建模型与装配，各部件之间采用不同的连接体进行连接，构成发动机曲轴系的多体非线性模型，在建模的过程中同时考虑轴承油膜的影响。对此模型进行动力学求解，得到曲轴的动力学特性与主轴承油膜特性。然后，将动力学分析得到的结果作为输入条件施加到曲轴有限元模型上，应用MSC.Nastran 软件求解得到曲轴一个工作循环下的瞬态应力，进而得到曲轴关键点的疲劳安全系数来考察曲轴的耐久性。
图2 表示某带液力变矩器的曲轴有限元模型，该模型包含曲轴所有的部件，由绝大部分六面体单元和少量四面体单元构成，单元总数为251768，节点总数为290597。将此模型与连杆、主轴承座等其它部件连接构成的动力学模型进行分析，得到该曲轴系一系列动力学特性和油膜特性，包括前后端最大动态扭矩、前后端最大动态角位移、各主轴颈在工作循环内受到的瞬态力与力矩、各主轴承最小油膜厚度、最大油膜压力等等。其中，图3 表示前后端最大动态角位移，图4 表示各主轴承最小油膜厚度。基于以上的动力学结果，通过有限元计算得到曲轴在一个工作循环内的瞬态应力如图5 所示，进而根据曲轴材料特性和瞬态应力结果得到曲轴关键点的疲劳安全系数。
图2 曲轴有限元模型
图3 前后端最大动态角位移
图4 各主轴承最小油膜厚度
图5 曲轴在某时刻的瞬态应力
2.2 缸盖缸体一体化分析
缸盖和缸体是最重要的主体结构部件，它们的耐久性和可靠性直接影响整个发动机的性能。所以，在设计前期，就必须对缸盖缸体在各种工况下的温度和强度、缸孔变形、缸垫压力分布以及这些结构的高周疲劳进行评估。
缸盖缸体一体化分析主要分为水套CFD 分析、缸盖缸体温度场分析、缸盖缸体结构分析三个部分。通过水套的CFD 分析，得到水套中冷却液体的流速、压力损失、对流传热系数等等。然后将部分CFD 分析结果作为输入条件施加到结构分析的有限元模型中，计算缸体和缸盖的温度场分布。最后再基于温度场的分析结果进行结构分析，主要包括以下工况：（1）装配载荷；（2）热载荷；（3）工作载荷（燃气爆发压力等）；（4）冷却状态。通过对这一系列工况分析，对缸盖缸体的耐久性、缸孔变形以及缸垫密封性进行评估。
图6 表示某发动机缸盖缸体一体化有限元网格模型，该模型中还包括缸垫、气门、螺栓等结构。图7 表示缸盖和缸体的温度场计算结果。图8 表示缸垫在某种工况下压力的分布情况，若压力过低甚至为零，则说明缸垫的密封存在一定问题，需要在优化中进行改进。 
图6 缸盖缸体一体化分析有限元模型
图7 缸体缸盖的温度场分布
图8 缸垫在某种工况下的压力分布
2.3 配气机构分析
配气机构是发动机的重要部件，气门升程曲线、零件质量刚度等因素将极大的影响发动机功率、油耗、排放、怠速稳定性等目标性能。因此，在配气机构设计阶段对虚拟样机进行系统仿真，能检验和优化配气机构设计，减少开发成本和缩短开发周期。
配气机构的动力学分析主要分为以下两个步骤：
（1）基于MSC.ADAMS/Engine 提供的配气机构模块进行建模，如图9 所示，建模中除气门弹簧外其余部件都考虑为刚体。计算输入主要为气门升程曲线、凸轮轴型线、气门弹簧的形状、质量、刚度等。通过动力学计算，得到气门落座速度、凸轮与挺柱之间的赫兹接触力（图10 表示某发动机在不同转速下的赫兹接触力）、气门弹簧力以及凸轮轴驱动力矩等，以此来检验配气机构在发动机不同转速下是否能正常工作。
（2）为更准确地模拟配气机构的动力学行为，在进一步计算中考虑凸轮轴本身的弹性，通过MSC.ADAMS 的柔性部件接口（MNF 文件），将弹性的凸轮轴有限元模型引入动力学分析模型，计算配气机构的动力学特性。并且，还可以基于动力学分析结果，通过MSC.Nastran 软件，对凸轮轴在不同转速、不同转角下的动应力进行考察。图11 表示某凸轮轴在6000rpm 下的动应力云图。
图9 配气机构动力学分析模型
图10 不同转速下的赫兹接触力
图11 凸轮轴在6000rpm 下的动应力
2.4 常用附件结构分析
发动机中有很多附件，比如压缩机托架、进气管支架、发电机支架等等，这些附件用于连接发动机中各个部件总成，并将其固定在发动机主体结构上。如果这些附件在工作过程中产生失效（如断裂等），就可能使发动机无法正常工作。
在发动机设计阶段中，一般都在线性范围内，对发动机附件结构进行强度和模态分析。在强度分析中，根据设计部门提供的设计载荷或实际工作载荷，应用MSC.Nastran 软件对结构进行有限元计算，得到零部件在不同工况下的变形、应力分布、支反力等等。强度分析的准确度主要取决于：（1）有限元网格的质量，因为畸变的网格会引起虚假的高应力，从而影响对结果的判定；（2）载荷的确定，附件的外载荷必须由设计部门提供或由发动机实际工况计算得到。而模态分析则是为了防止附件的固有频率被发动机正常工作状态的激振所激发，从而那导致危险的共振破坏。模态分析的难点主要在于：（1）激振频率的确定，对一般直列四缸发动来说，主要考虑其二阶激振或四阶激振；（2）边界条件的准确简化，由于不同的边界条件会使得计算的固有频率有所差异，所以必须对与它们连接的部件进行准确地简化和模拟，比如连接螺栓的模拟等。
图12 表示某发动机发电机支架、压缩机托架、进气歧管支架以及发电机压缩机组合托架四个发动机附件的模态分析结果。
图12 发动机附件的模态分析
2.5 动力总成模态分析
动力总成的弯曲振动对汽车的NVH 性能有着非常重要的影响，在严重时还会引起车辆零部件的早期共振破坏和疲劳损伤破坏。在发动机的开发过程中，必须对动力总成及附件系统进行模态计算，得到它们的模态频率和振型，分析它们各自的动态固有振动特性。
动力总成模态分析的重点在于合理的简化建模，而非计算本身。由于动力总成包含了发动机和变速器，为了全面反映动力总成及附件系统的振动特性，在分析计算时必须将系统中所有零部件考虑在内；同时为了控制有限元模型的规模，节约计算时间和资源，在进行整个动力总成有限元建模时，针对不同对象在模态计算中的作用分别作适当的简化处理。一般来说，动力总成各个零部件有两种建模方式，一种是采用实体单元和壳单元建模，包含的主要零件有：缸体、缸盖、机油盘、变速器壳体、发动机附件、轴承盖；另一种是采用集中质量来模拟，包含的主要零件有：变速器壳体内部总成、配气机构部分、排气歧管、机油滤清器、曲轴系、前端轮系。完整的动力总成有限元分析模型如图13 所示。
图13 完整的动力总成有限元模型
在直列四缸发动中，对于动力总成本身的弯曲或扭转振动来说，主要考虑发动机的二阶激振，而对于发动机附件以及托架等，主要考虑四阶激振。通过MSC.Nastran 软件计算得到动力总成的固有频率与振型，从而为动力总成的结构修改提供参考。图14 和图15 分别表示动力总成的第一阶弯曲振型和第一阶扭转振型。
 
图14 动力总成第一阶弯曲振型 图15 动力总成第一阶扭转振型
2.6 动力总成悬置系统分析
悬置系统是指动力总成（包括发动机、离合器及变速器等）与车架或车身之间的弹性连接系统，该系统的好坏直接关系到发动机与车体之间的振动传递，影响整车的NVH 性能。一个好的发动机悬置系统，可以较好地控制发动机本身的激振力向车体部分传递，不使底盘和车身在发动机工作时产生强烈的振动和噪音，提高汽车乘坐舒适性和使用可靠性。
动力总成悬置系统的分析方法如图16 所示。在本方法中，首先根据整车和动力总成的数据，用MSC.ADAMS 进行建模，其中最关键的部分在于悬置元件的描述，由于悬置件大多是橡胶或者液压的，所以可采用ADAMS 软件中的Maxwell 模型或者零极点方式来进行描述。在根据惯性主轴确定了悬置布置方式后，通过刚体模态和动力总成及悬置件位移之间的平衡来确定悬置的静动刚度、阻尼以及悬置点在各种工况下的受力，以这些输出结果作为悬置件制造和发动机支架验证的输入条件。
图17 表示某动力总成的惯性主轴和悬置布置方式，图18 表示测振点的振动评估。
图16 动力总成悬置系统分析方法
图17 惯性主轴及悬置布置 图18 测振点的振动评估
3 结论
CAE 分析技术在长安公司的发动机产品开发中应用越来越广泛。通过以上分析算例可以看出，在发动机设计前期，应用MSC.ADAMS 和MSC.Nastran 软件，可以对设计的发动机零部件以及总成系统进行定性和定量的评估，从而检查设计的合理性，为优化设计提供改进方向。(end)
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(1/11/2009) |
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