基于提升发动机NVH品质的外围支架有限元分析与测试

来源：安徽江淮汽车股份有限公司技术中心

发动机的外围支架是引起其产生结构共振的关键因素，在基于噪声振动测试的基础上，对悬置支架、发电机调支架和空压机支架进行结构分析，通过模态分析优化原有结构，并通过振动试验实际测量实际的优化结果。通过分析与测试手段的结合，有效提升了发动机外围支架的振动频率，从而避免了共振风险，为分析的准确性与发动机噪声振动数据的积累奠定了基础。

随着汽车行业对发动机NVH品质的关注，发动机外围支架的设计也越来越受到关注，提升支架的固有振动频率，有效避开发动机的共振频段，成为改善发动机振动的有效手段。发动机噪声振动测试与有限元分析手段不断发展，目前已经形成优化发动机外围支架的方法：首先通过测试获得发动机外围支架的振动，然后采用有限元分析优化其固有频率，再以振动测试检测实际优化的结果，以此形成一个闭环。结果表明，有限元分析能够提供支架优化方案，通过实验验证能够明显改善支架类零件的振动情况，同时也为发动机噪声振动数据的积累奠定基础。

发动机外围支架测试

通过对发动机外围支架的初步测量：悬置支架的一阶频率为202Hz，发电机支架的一阶频率为151Hz，空压机支架的一阶频率为174Hz。

对于支架类零件，要求其固有频率大于发动机点火频率；对于悬置支架等重要零件，要求其固有频率大于2倍发动机点火频率。以发动机的设计转速为5490r/min计算，要求发电机支架、空压机支架的振动频率在183Hz以上，悬置支架的振动频率在367Hz以上。从测试结果分析来看，悬置支架的频率远远低于设计的最低要求，而发电机支架的频率在最低要求边缘，空压机支架频率满足最低要求。从测试结果可以得出如下结论：

⑴ 悬置支架振动频率低，必须进行优化，以避开发动机的共振频段，并减小共振能量。

⑵ 发电机支架的振动频率在最低要求边缘，也需进一步优化，以提高发动机整体振动性能。

⑶ 空压机支架的振动频率高于最低要求，但是从频率范围的要求看，依然存在优化空间。

有限元分析

在Hypermesh中建立有限模型，包括缸体、油底壳、法兰、悬置支架、水泵、发电机、发电机支架、空压机、空压机支架和螺栓（见图2）。有限云模型完成后，提交NASTRAN进行计算（具体阵型如图3所示）。悬置支架的一阶阵型为绕着X轴上下振动，其振动频率为336Hz；发电机支架的一阶阵型为绕着Y轴前后振动，其振动频率为154Hz；空压机支架的一阶阵型为绕着Y轴左右振动，其振动频率为220Hz。

测试与分析频率值比较

下表中列出的是三个支架测试与分析频率值的比较结果。从表中可以看出，假设测试结果接近真值，则悬置支架模态频率计算误差为66%，发电机支架模态频率计算误差为1.9%，空压机支架模态频率计算误差为26%。通过比较，悬置支架的分析误差较大，而发电机支架的分析误差最小，空压机分析误差居中，因此通过分析得到的优化结果必须进一步通过实验来验证。

新方案的分析与测试验证

针对模态阵型与模态频率，采用拓扑优化的方法对上述三个支架进行优化，由于分析与实验之间存在一定误差，因此需要对优化结果进行验证，以保证优化结果的可靠性。

1. 新方案的分析结果

通过模态优化，三个支架的一阶模态频率均已达到设计要求。

2. 新方案的测试结果

悬置支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：悬置支架优化后，其一阶振动频率并没有明显提高，依然在202Hz附近。但是202Hz振动频率下的振动能量减少很多，300～500Hz频段下的振动情况明显得到改善。

发电机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：发电机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的151Hz提高到174Hz，174Hz附近的振动能量明显降低，X方向的振动情况明显得到改善，振动频率依然低于要求。

空压机支架新旧方案的对比，从测试结果可以看出：空压机支架优化后，其一阶振动频率有所提高，从原来的174Hz提高到188Hz，振动频率满足于要求，且 X方向的振动情况明显得到改善。

结论

（1）使用测试－分析－再测试的闭环分析方法，可以实现对发动机外围支架的优化。

（2）分析结果与实验测试结果存在一定偏差，这与分析模型的简化、材料数据的使用有明显的关系，后期需要根据实验结果重新标定分析模型。

（3）对优化后的方案进行测试，尽管悬置支架和发电机支架的模态频率值没有达到预期要求，但是从测试结果可以看出，两个支架在共振频率下的振动能量明显下降。当振动频率接近共振频率时，容易引起共振，但是振动能量小，引起的共振也只是暂时的或微小的，在发动机工作工况改变后，这种情况就会消失。由于发动机的布置空间有限，能够优化的空间也比较小，若无法有效避开共振频率，就应当尽量减小振动能量，以降低风险。

（4）采用拓扑优化的手段对发动机外围支架进行优化，从分析的角度来看，支架的模态是可以有效改善的。