一种发动机整机动力学分体式建模方法与流程

1.本发明涉及汽车发动机动力学分析领域，具体涉及一种发动机整机动力学分体式建模方法。


背景技术：

2.随着汽车行业的迅速发展，汽车市场对发动机的声品质要求越来越高，发动机的振动噪声性能对使用者的驾驶和乘坐体验至关重要，直接影响整车的品质感，因此，在发动机产品开发过程通常需要采用cae(计算机辅助工程)方法对发动机的振动噪声性能进行预测，并根据预测进行部件的优化，减少产品部件优化迭代轮次，缩短发动机产品的开发周期。目前，cae软件产品功能不断丰富，采用动力学软件对发动机整机进行振动噪声相关动力学计算仿真已成为产品开发流程中的必不可少的步骤。
3.目前，现有文献中对发动机整机动力学建模的方法，多是对乘用车发动机曲轴轴系及轴承进行动力学分析，例如:专利文献cn100495412《一种发动机曲轴动力学分析方法》(公开日2008年4月9日)和专利文献cn107665286a《一种关于汽车发动机轴承动力学分析方法》(公开日2018年2月6日)所公开的方案，都趋向分析轴系的载荷，并未对发动机整机进行动力学分析。再例如：专利文献cn103471854a《一种航空发动机整机振动特性分析方法》(公开日2013年12月25日)提及了整机振动特性分析，该方法不能分析单个部件对整机动力学和振动噪声的影响，仿真效率较低，对计算硬件资源占用较大，且该专利分析对象为航空转子发动机，其与传统乘用车燃油发动机工作特性不同，无法获得技术启示应用于乘用车发动机的整机动力学分体式建模分析。另外，现有技术中建模过程中对螺栓连接刚度的计算方法通常采用有限元方法，首先要进行螺栓和连接部件的有限元建模，然后进行螺栓连接刚度静力学计算，这种计算方法的仿真结果精度较高，但有限元建模时间较长，计算过程复杂。
4.综上所述，现有技术中对发动机整机动力学建模的研究较少，且无法分析单个部件的影响，仿真效率较低，对计算硬件资源占用较大，建模计算过程复杂。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术建模方法无法分析单个部件的影响、仿真效率低、硬件资源占用较大、建模复杂的问题，本发明提供了一种发动机整机动力学分体式建模方法。
6.本发明的技术方案具体包括以下步骤：
7.步骤1.部件有限元建模：
8.采用通用有限元建模软件对发动机各个部件进行单独的有限元模型建立；
9.步骤2.螺栓连接特征定义：
10.定义主轴承连接单元，定义主轴承载荷施加节点和燃烧爆发压力载荷激励节点，定义各个部件相互关联的螺栓连接部位刚性连接单元，将螺栓连接部位刚性连接单元主节点定义为主自由度点，作为动力学模型中螺栓连接节点；
11.步骤3.对部件结构特性矩阵求解：
12.对零有限元模型进行模态压缩，求解发动机各个部件的结构特性矩阵，作为发动机整机动力学部件柔性化的输入文件；
13.步骤4.动力学模型计算参数定义：
14.定义动力学计算的激励源以及边界参数；
15.步骤5.动力学建模螺栓连接参数定义：
16.定义具有螺栓连接关系的各部件间的螺栓连接刚度参数，包括：发动机缸体、缸盖、前罩盖、机油盘、气缸盖罩盖，至此完成动力学模型的建立。
17.优选地，步骤1中所述发动机各个部件包括发动机台架、缸体、气缸盖、机油盘、前罩盖、气缸盖罩盖、曲轴和连杆。
18.优选地，步骤3中所述的结构特性矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵。
19.优选地，步骤4中所述动力学计算的激励源包括：
20.发动机的转速参数、负荷特性以及各转速负荷特性下的爆发压力曲线；
21.优选地，步骤4中所述边界参数包括：
22.发动机缸径、冲程、连杆长度、主轴承间隙、连杆大头轴瓦与曲柄销间隙。
23.优选地，步骤5中所述螺栓连接刚度参数包括：
24.螺栓长度方向刚度、螺栓平动自由度连接刚度和三个转动方向的自由度连接刚度。
25.优选地，所述螺栓长度方向刚度为：
26.k＝ea/l
27.其中e表示螺栓的材料的弹性模量，l表示有限元模型中螺栓根部和头部两节点之间的距离，a表示螺栓螺杆部位的截面积。
28.优选地，步骤5中所述螺栓平动自由度连接刚度为1.0
×
108n/mm。
29.优选地，步骤5中所述螺栓三个转动方向自由度连接刚度为1.0
×
109nmm/rad。
30.与现有技术相比，本发明解决了现有技术建模方法仿真效率低、硬件资源占用较大、建模复杂的问题，具体的有益效果如下：
31.1.本发明提出的发动机整机分体式建模方法，对整机各部件进行分体式建模，能够同时考虑单个部件对整机动力学和振动噪声的影响，有利于对噪声贡献大的部件进行单独优化，部件方案优化便利。
32.2.本发明提出的发动机整机分体式建模方法，大大减小了部件或总成刚度矩阵、质量矩阵等仿真过程的硬件资源占用，占用的计算硬件资源为整体式建模方法1/3以下，能够快速进行结构矩阵的求解，大大缩短了求解时间，完成方案迭代，能够做到仿真效率提升50％以上。
33.3.本发明各部件之间采用螺栓刚度特性单元连接，既可以给定实际螺栓刚度参数，也可以给定较大刚度模拟刚性单元连接，适用性广，建模方便，连接关系定义便捷适用于当前主流发动机动力学计算软件，具有通用性和便捷性。
34.4.本发明建模过程中使用的螺栓连接刚度计算方法，仅通过经验公式就可以求解螺栓连接刚度，计算方法简便快捷，并且能较好的模拟实际产品刚度特性。
35.5.应用本发明方法建模得到的仿真结果与实际测量值吻合度良好，误差仅在3db
以内，可以应用于动力学仿真分析，满足实际需要。
附图说明
36.图1为本发明提出的发动机整机动力学分体式建模方法流程图；
37.图2为应用本发明方法建立的发动机整机动力学分体式模型一维示意图；
38.图3为应用本发明方法建模得到的噪声仿真结果与实际试验噪声结果的对比图。
39.附图标记说明：
40.1、气缸盖罩盖；2、气缸盖；3、缸体；4、机油盘；5、前罩盖；6、台架；7、曲轴；8、螺栓连接部位刚性连接单元；9、主轴承连接单元；10、连杆。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步阐述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
42.实施例1.
43.本实施例提供了一种发动机整机动力学分体式建模方法，结合本方法流程图1和模型一维示意图2可以更好理解本方法，具体地，包括以下步骤：
44.步骤1.部件有限元建模：采用通用有限元建模软件对发动机各个部件进行单独的有限元模型建立；
45.步骤2.螺栓连接特征定义：定义主轴承连接单元9，定义主轴承载荷施加节点和燃烧爆发压力载荷激励节点，定义各个部件相互关联的螺栓连接部位刚性连接单元8，将螺栓连接部位刚性连接单元8主节点定义为主自由度点，作为动力学模型中螺栓连接节点；
46.步骤3.对部件结构特性矩阵求解：对零有限元模型进行模态压缩，求解发动机各个部件的结构特性矩阵，作为发动机整机动力学部件柔性化的输入文件；
47.步骤4.动力学模型计算参数定义：定义动力学计算的激励源以及边界参数；
48.步骤5.动力学建模螺栓连接参数定义：定义具有螺栓连接关系的各部件间的螺栓连接刚度参数，至此完成动力学模型的建立。
49.所述具有螺栓连接关系的各部件包括发动机缸体3、气缸盖2、前罩盖5、机油盘4、气缸盖罩盖1。
50.本实施例提供的建模方法对整机各部件进行分体式建模，能够同时考虑单个部件对整机动力学和振动噪声的影响，有利于对噪声贡献大的部件进行单独优化，部件方案优化便利。
51.实施例2.
52.本实施例为对实施例1的进一步限定，具体地，步骤1中所述发动机各个部件包括：
53.发动机的台架6、缸体3、气缸盖2、机油盘4、前罩盖5、气缸盖罩盖1、曲轴7和连杆10。
54.本实施例选择对发动机中各个部件进行单独的有限元模型建立，包括对噪声影响较大的全部零部件，对各部件进行振动响应分析时不会忽略掉关键部件，保证分析结果有效。
55.实施例3.
56.本实施例为对实施例1的进一步限定，具体地，步骤3中所述的结构特性矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵。
57.本实施例对零有限元模型进行模态压缩，求解发动机各个部件的刚度矩阵和质量矩阵，作为发动机整机动力学部件柔性化的输入文件，这种方法大大减小了部件或总成刚度矩阵、质量矩阵等仿真过程的硬件资源占用，占用的计算硬件资源为整体式建模方法1/3以下，能够快速进行结构矩阵的求解，大大缩短了求解时间，完成方案迭代，能够做到仿真效率提升50％以上。
58.实施例4.
59.本实施例为对实施例1的进一步限定，具体地，步骤4中所述动力学计算的激励源包括：
60.发动机的转速参数、负荷特性以及各转速负荷特性下的爆发压力曲线。
61.实施例5.
62.本实施例为对实施例1的进一步限定，具体地，步骤4中所述边界参数包括：
63.发动机缸径、冲程、连杆长度、主轴承间隙、连杆大头轴瓦与曲柄销间隙。
64.通常来说，模型的复杂性直接影响计算的效率以及计算机硬件资源的占用，本实施例中将发动机的上述主结构参数设定为边界参数，在保证计算结果精度的同时，可以有效简化模型复杂性，适当提高了仿真效率且降低硬件资源的占用。
65.实施例6.
66.本实施例为对实施例1的进一步限定，具体地，步骤5中所述螺栓连接刚度参数包括：
67.螺栓长度方向刚度、螺栓平动自由度连接刚度和三个转动方向的自由度连接刚度。
68.本实施例各部件之间采用螺栓刚度特性单元连接，既可以给定实际螺栓刚度参数，也可以给定较大刚度模拟刚性单元连接，适用性广，建模方便，连接关系定义便捷适用于当前主流发动机动力学计算软件，具有通用性和便捷性。
69.实施例7.
70.本实施例为对实施例6的进一步限定，具体地，所述螺栓长度方向刚度使用如下公式定义：
71.k＝ea/l
72.其中e表示螺栓采用材料的弹性模量，l表示有限元模型中螺栓根部头部两节点距离，a表示螺栓截面积。
73.本实施例建模过程中使用的螺栓连接刚度计算方法，仅通过经验公式就可以求解螺栓连接刚度，计算方法简便快捷，并且能较好的模拟实际产品刚度特性。
74.实施例8.
75.本实施例为对实施例6的进一步限定，具体地，步骤5中所述螺栓平动自由度连接刚度为1.0e8n/mm。
76.实施例9.
77.本实施例为对实施例6的进一步限定，具体地，步骤5中所述螺栓三个转动方向自由度连接刚度为1.0e9nmm/rad。
78.通过以上实施例建立的模型一维示意图如图2所示，对动力学模型进行仿真分析计算，根据主轴承载荷和燃烧爆发压力载荷计算各部件的振动响应，在发动机6000r/min时得到的表面振动速度级仿真结果与实际试验值进行对比，得到如图3所示的对比图，可以看出应用本发明方法建立的模型仿真测试结果与实际试验结果吻合性良好，其仿真误差仅在3db以内，与现有技术方法建立的模型仿真精度相当，可以应用于动力学仿真分析，满足实际需要。
79.可以理解的是，上述实施例不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员通过本发明的技术方案可以获得技术启示，在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。