文献翻译_CAE虚拟的汽车发动机悬置系统的设计验证测试

汽车发动机悬置系统的CAE虚拟设计验证测试

Hong Su 、Young Hua

Summitech工程公司

版权所有?2009 SAE国际

摘要

本文介绍了一个汽车发动机悬置系统的CAE虚拟测试过程，用它来对发动机悬置设计的NVH和耐久性能进行评估。发动机悬置系统的虚拟测试是根据在所定义的发动机负载条件下，噪声和振动响应的特点、悬置结构的强度及它的耐疲劳性。该方法结合了几种CAE建模与仿真技术，包括发动机试验加载环境的定义，对橡胶衬套的非线性的刚度和阻尼特性的建模，频域动态仿真，和疲劳损伤的预测技术。首先，所测试的发动机负载规格，是由与发动机转速有关的所测得的发动机振动的原始数据和发动机转速循环工况的统计来定义的。其次，在频域内，基于测量的动态衬套参数，对橡胶衬套的非线性特性的建模，即在每个安装方向定义等效刚度和阻尼元件。对于NVH和耐久性能的任务，使用动态模拟，然后利用频率响应分析技术来实现完成。发动机的NVH性能是根据发动机的振动隔离和噪声的传输特性来评价的。为了评估悬置支架的强度和耐久性，这里引入了一种在频域疲劳损伤的预测方法。支架的动态应力是首要模拟的，并把它归类为潜在的高应力区。每个支架结构的耐久性是基于模拟应力和相应的材料损伤模型来评估的。这里提供汽车发动机悬置的例子来说明所建议的虚拟测试程序的应用及相关技术。

引言

一种汽车发动机悬置系统设计验证涉及多个工程的任务，如隔离发动机的振动和噪声的发动机悬置传输特性的测定，对关键的悬置支架的疲劳耐久性验证，根据发动机转速和发动机工作循环的振动特性的发动机负荷的定义，橡胶衬套的阻尼特性和刚度的验证，等等。这些多个任务的目的是论证发动机悬置不仅满足结构的强度和刚度的设计要求，而且同样满足动态的NVH性能的要求。

随着有限元方法和计算机仿真技术的发展，人们建立了一个观念：CAE虚拟试验[ 1，2 ]提供了一个机会来加快产品开发速度。在汽车行业，尤其是近年来，CAE虚拟测试手段，减少物理样机，测试和费用，能深入了解产品性能和设计参数之间的关系，从而提高产品的性能和质量。

众所周知[ 3，4 ]，一台汽车发动机产品的噪声，振动和声振粗糙度性能（NVH）是在频率域中进行评价的。由于NVH特性本质上是与它们的频率特性相关的，如谐振频率，正常模态，刚度和阻尼，以及其输入输出之间的传递函数的特性。而另一方面，对耐久性试验和疲劳评估的任务，汽车产品的设计验证，传统上是在时间域上进行的，基于时间的历史循环计数技术。然而在最近几年，一些频域的疲劳评价方法逐渐被引入到工业。同样众所周知的是[5, 6]，一个发动机悬置系统的安装衬套的特性，尤其是套管阻尼和刚度特性，在所有的发动机负荷条件下，其动态性能起着至关重要的作用。

为了实施发动机悬置系统的多个工程任务，对CAE虚拟测试技术挑战之一是建立具有发动机悬置性能、现实的配置和合理的负载环境的合适的有限元模型。众所周知，发动机悬置系统的动态行为具有显著的非线性。零件如橡胶衬套的非线性特性都强烈地依赖于不仅是温度和应用负荷水平，而且还有频率，使他们难以准确建立模型。只有有一个合适的发动机悬置模型和合理定义的荷载，然后才就可以处理所有相关的基本特征，就NVH和耐久性性能而言，就是提供有意义的发动机悬置的设计指导。

在本文中，提出了一个汽车发动机悬置系统的CAE虚拟测试方法，它可以用来评估发动机悬置设计的NVH和耐久性性能。该方法结合了几种CAE建模与仿真技术，如发动机试验加载环境的定义，对非线性橡胶衬套的刚度和阻尼特性的建模，频域动态模拟，和疲劳损伤的预测技术。所测试发动机负载的规格首先是由测定的，与全部的发动机转速和发动机转速占空比统计有关的发动机振动定义的。其次，橡胶衬套的特性是在频率域上，基于测得的动态的套管参数，根据存储和损耗因子或弹簧和阻尼器，用每个安装方向的等效刚度和阻尼元件来建立模型的。对于NVH和耐久性能的任务，是使用动态模拟，然后利用频率响应分析技术来实现的。发动

机的NVH性能是根据发动机振动隔离和噪声传递特性来评估的。为了保证悬置支架的强度和耐久性，支架的动态应力是首要模拟的，并被分类未潜在的高应力区。每个支架结构的耐久性是基于模拟应力和相应的材料损伤模型来评估的。

这里提供汽车发动机悬置的一些例子来说明所提出的虚拟测试程序的应用及相关技术。结果表明，虚拟测试的方法可以揭示设计参数的内在联系，产品的薄弱点和耐久性寿命，为改进设计提供指导和帮助，以实现我们只需要一个成功的实体设计验证测试的目标。

发动机载荷规格

对于发动机悬架来说，主要的振动荷载是由发动机的运行产生和施加的。发动机载荷通常为离心和往复类型的不平衡惯性力以及扭转振动，它们是由于内燃机工作产生的。 发动机载荷数据通常是在发动机底盘辊测试中测得的，它与选定的发动机速度范围有关，例如，发动机从怠速到风门全开（WOT）的最大速度的状态。

为了确定一个合理的发动机载荷的规格，必须明确与发动机转速有关的发动机振动载荷和发动机的循环工况。发动机负荷曲线一般表示为频率的函数，从测试时间的历史数据，通过快速傅里叶变换（FFT）转换而来，用与速度有关的谐波内容（RPM）和发动机转速范围的功率谱密度（PSD）函数的形式表现出来。而基于统计数据，我们可以通过发动机的循环工况知道，在汽车的设计寿命内，发动机的转速分布。

速度范围内的发动机载荷的功率谱密度（ＰＳＤ）

大部分的发动机负荷分布是在在频域上表示的。如SAE论文[10]所说

明的，一种所测得的发动机负荷分布，是用与发动机速度有关的振动加速度的谐波的形式来表现的。如图1所示，以所测I4发动机振动功率谱数据为例，四部分的发动机转速范围，在z方向。

发动机循环工况的定义

发动机循环工况是根据统计数据，来明确在汽车的寿命中，发动机的速度是如何分布的。从发动机转速循环工况的定义和所测量的与速度有关的发动机振动情况的信息和数据中，在发动机悬置产品上施加的载荷谱可以由此推导得到。在表1中列出了发动机的工作循环的一个例子。发动机的循环工况，对应于图1的发动机负荷曲线，被分为四个（4）发动机转速范围。它是基于统计数据库，为一个设计寿命6000小时的发动机定义的。

测试发动机机荷载规范

一个为了确定汽车产品在时域内合适的振动测试载荷规范的工艺规程及其相关方法，是基于测量发动机的振动负荷数据和给定的发动机工作循环的定义，如图1和表1所示，已在[ 11 ]介绍。所得到的发动机振动试验荷载规范，对于给定的测试时间和可靠性参数，将有相当的耐久性损伤水平。

所得的发动机悬置系统的正弦扫频振动试验载荷规范，是应用频域疲劳估计和损伤等效技术推导出来的。在这个例子中，试验持续时间是从20到1000Hz的频率范围内的100小时。由于正弦扫频

振动的总损失将相当于图1中的发动机负荷，有一个6000小时的设计寿命，每个发动机循环工况的定义在表1。同样，相应的扫频正弦振动试验荷载规

范总结在表2和图2所示。

从正弦

振动试验荷载规范，很容易看出一个I4发动机振动能量主要分 布在200Hz以下的频率上。

衬套的刚度和阻尼特性

在各种发动机负荷条件下，发动机悬置系统中的发动机悬置衬套都是非常重要的元件。同时，它在悬置系统的动态性能中起着关键作用。众所周知，橡胶衬套的静刚度性能表现出强烈的非线性行为，且与预紧力、负荷水平和温度相关。就动态行为而言，由于橡胶衬套的粘弹性性质，其动态性能不仅严重依赖于温度、施加的负荷水平，而且也严重依赖于频率。

对于橡胶材料，材料的刚度和滞回效应通常是用复杂的动态模量E *来测试和描述。动态模量E *也作为温度、频率和所施加的负荷水平的函数[ 5 ]。

其中T是温度，ω= 2πf，f是频率（Hz），p是所施加的负载，E’是

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