文献翻译CAE虚拟的汽车发动机悬置系统的设计验证测试.doc

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（）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，= 2f，f是频率（Hz），p是所施加的负载，E是储能模量，损耗模量E”。它清楚地表明，储能模量E是与材料的刚度有关的。而损耗模量E”与能量耗散和随之而来的在材料内部的加热升温相关。作为橡胶衬套材料动态特性的例子，图3显示分别在低温下、常温下和高温下，管道配置的橡胶衬套的标准储能系数作为频率的函数的曲线图。同时，在图4中，显示了在不同的温度下，关于所施加载荷的频率，对于相同的橡胶衬套的相应的损耗模量曲线。很容易看出，橡胶材料的储能模量E和损耗模量E”是随着频率的增加而增加的。 对于简单的橡胶衬套的结构，该橡胶材料具有储能模量E和损耗模量的E”，则基于套管几何尺寸，可以分别容易地计算对应的衬套元件的动态刚度K和阻尼C，以及其他参数。 其中A是横截面积，L是套管的长度。然而，对于大多数发动机悬置的应用，对橡胶衬套的设计配置往往更复杂。在许多情况下，套管的配置是不相对于套管轴对称的。因此，在不同的径向方向上，衬套的动态特性将有所不同。在这种情况下，在组件级水平的橡胶衬套动态特性的直接测量是必需的。 对于一个给定的橡胶衬套的配置和测试方向，在每个激励频率，测量得的输入位移向量X（）和力向量P（）绘制在一个复杂的平面图上，其实坐标轴和虚坐标轴相互垂直。位移和力之间的相位角也要测量，记为（）。衬套元件的复杂刚度计算为K*()6。橡胶衬套组件的参数，即相应的动刚度K和阻尼C，可以按以下公式（5）（6），由K*()和()计算得来。作为一个例子，如图5所示，在橡胶衬套组件级，在环境温度下，在三个相互垂直的方向，发动机橡胶衬套悬置所测得的静刚度性能。这里，R方向是橡胶衬套的硬的径向方向，P方向是软的径向方向，Q方向是衬套的纵向。图6显示，分别在3个方向上的，在环境温度下，作为频率的函数的，所测得的发动机橡胶衬套的动刚度参数曲线。在图7中，是对于同样的橡胶衬套，关于载荷加载频率的，所测得的相应的动态阻尼参数曲线。 将6图和7他的曲线进行比较，结果表明，该橡胶衬套组件的动态刚度参数随所施加的负载的频率的增加而增加。但是，该橡胶衬套的动态阻尼参数是随着频率的增加而降低。可以看到，在能量耗散部分，尽管损耗模量E”在橡胶材料的水平是随着频率的增加而增加的，如图4所示；但是，该橡胶衬套阻尼参数，在组件级别，是相对于频率的下降而下降的，如图7所示。这种关系和趋势可以很容易地从方程（3）和（6）证明。发动机悬置系统模型 发动机悬置系统普遍采用隔振元件和橡胶衬套。它的动态结构模型相关于动态负荷水平、激励频率和温度条件，具有很强的非线性特性。为了建立这种非线性结构系统的模型并对它进行模拟，从而对它进行虚拟设计验证测试，这里通过使用一个数组的局部线性化系统的建模技术，如 12 所介绍的。在时间域结构模型对于一个汽车产品的非线性系统，如有橡胶衬套的发动机悬置系统，在动态振动载荷和不同的温度条件下，它的数学模型可以建立为在时间域上的一个非线性微分方程组7，8。在这里， M 是系统的质量矩阵； x（t）是广义坐标向量，是时间t的函数. C为阻尼矩阵，是响应x、时间t和温度T的函数. K为刚度矩阵，是响应x、时间t和温度T的函数。 Ps（t）是由发动机载荷产生的动态力向量。上述方程组的对应于每个时间步的解x（t）一般是采用有限元仿真集成技术得到的。对于该系统，由于在频率域的动态振动载荷，对方程组（7）的稳态解的求解是极为困难的；就CPU的时间和资源而言，甚至是不可能的。频域模型对上述问题的另一种解决方法是在频域求解方程组，根据传递函数，使用傅里叶变换技术。一个局部非线性的动态系统模型，相应于方程（7），在频率域可以表示如下： 在这里，i=-1, (l =1,2,.,L), (j =1,2,.,M),L是全部的温度情况数，M是全部的负荷水平数；Ceq是等效的局部阻尼矩阵，Keq是等效的局部刚度矩阵，它们是响应、频率、温度和负荷水平的函数。 x（）和 PS（）分别是频域内的结构响应和荷载向量。 利用方程（8），非线性微分方程（7）在时间域的解将被转化为一个在频域中，对于给定的负载条件的局部线性代数方程组的解。材料的疲劳损伤模型材料的疲劳数据材料的疲劳特性通常是用S-N曲线来衡量，它定义了应力幅度水平SA和平均破坏的周期数N之间的关系。对于大多数高周疲劳耐久性问题（N104），S-N曲线可以表示为一个简化的形式：其中，B和m是随材料的类型、加在其上的的荷载和环境条件变化而变化的材料属性，如平均应力、表面处理和温度。频域上的材料疲劳正弦扫频振动疲劳 在正弦扫频振动载荷下，如表2和图2所定义的，一个结构的疲劳损坏是由在所定义的频率范围内的应激反应水平情况来进行预测的。在一个汽车产品的正弦扫频振动试验中，以恒定的速率的对数扫描是常用的（倍频程/分钟）。 这意味着每一个扫掠倍频程会包含相同的试验加载持续时间，这类似于红噪声测试。一个倍频程是一个频率和另一个频率之间的间隔值，那一个频率是另一个频率的二倍或一半（倍频程就是：频率为2:1的频率间隔的频带）。例如，对于一个10Hz的正弦波的频率，在它之上一个倍频程的频率是20Hz；在它之下一个倍频程的频率是5Hz。相距一个倍频程的频率之间的比例是2：1。两个频率f1和f2之间的频段，就倍频程XO而言，可以由以下公式得到：关于扫描时间t的对数扫频f，在下限 fl和上限fu之间的所测试的频段上，表示为其中R是正弦扫频测试的单位时间恒定倍频扫描率，C是对于给定的扫描速度和频率范围的一个常数。由于正弦扫频疲劳载荷产生的累计损伤ADs，也是基于Palmgren-Miner法则来进行评估的，并表示为如下方程16：这里Nw是在整个试验持续时间施加正弦扫描的总数；（f）是应力振幅，它是以Hz为单位的频率f的函数。在CAE耐久性虚拟试验中，应力函数（f）通常是使用的频率响应分析技术，从汽车产品的仿真得到的。发动机悬置系统发动机悬置系统的一个有限元模型实例如图8所示。发动机悬置系统由一个弹簧板梁，四个悬置和衬套组成。发动机悬置的结构和它的支架采用壳单元模拟。发动机和传输装置的质量惯性性质也包含在有限元模型中。模型中使用的典型的悬置衬套非线性静态、动态刚度和阻尼性能，分别在图5、6和7中说明。悬架系统的主要功能有两个方面：（1）支持发动机和变速箱的重量和动态载荷；（2）降低发动机向环境辐射的噪声，隔离发动机传递到车身结构的振动。发动机悬置NVH性能的虚拟测试为了提高隔离噪声和振动的性能，各种悬置套管被应用于发动机悬置系统中。具有非线性刚度和阻尼性能的橡胶衬套被指定应用于在频域上的发动机悬置设计中。一个后悬置衬套使用的属性的例子，分别在图6和7中说明。对于NVH性能虚拟测试，一个悬置系统的发动机噪声的传输特性是通过使用点的移动性结果来进行评估的；同时，发动机振动隔离的验证，是基于与衬套的刚度和阻尼性能有关的，悬置系统的传递性来进行的。发动机悬置上的点迁移率在对结构中的一个点进行研究时，点移动（PM）被定义为在频域中，速度响应V（）和所施加的力P（）之间的传递函数，并表示如下，点移动性本质上是方程（8）在频率上的一种局部线性特性，并被用于表征发动机载荷作用下的速度响应的动态行为。同样众所周知的是，从声压水平来看，噪声辐射是与结构的点移动性直接相关的。将发动机和传动装置的质量惯性包含在有限元模型中，并用频率响应分析技术来模拟发动机悬置系统的所有动态的结果。在车辆坐标的X，Y和Z三个方向上，发动机悬置系统的点的迁移率结果，分别在图9和11中表示。结果表明，发动机悬置主要的共振频率在10Hz左右。在X和Y纵向侧的方向，第一谐振频率约为9Hz。相应的发动机点的迁移率共振峰值约为0.5到0.6mm/s/N。在Z轴垂直方向，谐振频率大约是11Hz，点的迁移率的峰值约为0.26mm/ Ss/ N，这表明悬置阻尼在Z轴垂直方向是最有效的。在图9到11中，发动机悬置上点的迁移率的结果，表明在图1和图2中的发动机负荷作用下的发动机的噪声传播特性是可接受的。所有的发动机点的迁移率的共振频率，都远远低于主要的二阶发动机负荷频率和它们与一个I4发动机的谐振频率。发动机点的迁移率水平也低于发动机其他主要部件的典型响应，如15中的发动机进气系统。发动机悬置的传递性在频率域内，传递性(Tr)被定义为输出响应X()和基本输入激励X0(）之间的传递函数，并表示如下，传递性本质上是在频率上的一种局部线性特性。就位移、加速度或其他的动态行为而言，它一般用来表征与发动机载荷激励有关的传递响应的动态行为。图12到14分别展示了在车辆坐标的X、Y和Z三个方向上，发动机悬置系统的传递率。结果还表明，发动机悬置主要的共振频率约10Hz。在X和Y纵向侧的方向，第一谐振频率约为9Hz；而在Z垂直方向的共振频率大约是11Hz。传递性结果表明，所设计的发动机悬置系统能有效地隔离发动机所有操作振动荷载下的振动。对于所有主要的发动机负荷，包括发动机的怠速二阶频率，分布在20到1000Hz之间，如图1和图2所示，这都落入了发动机悬置系统有效隔离的工作频率范围 8 。发动机悬置的耐久性虚拟试验对于强度和耐久性的虚拟实验，悬置的支架是首要进行模拟的，并将之分类为高应力区。该支架结构的耐久性评估是基于模拟应力和相应的材料损伤模型 17 。动态应力仿真将发动机和传动装置的质量惯性包含在有限元模型中，在正弦扫频荷载下对悬置结构的动应力响应进行模拟。发动机的悬置结构的高应力区的确定是采用模拟单元的应力结果的直接排序或用模态应变能密度信息的方法间接排序。右侧悬置支架的模态应变能量密度分布的一个例子，如图15中所示。一个高应力区位于右悬置支架附近。如图16所示，为正弦振动的相应的动态应力分布。 耐久性评估该支架结构的耐久性评估是基于模拟的正弦扫频振动响应应力和疲劳损伤模型来进行的。疲劳损伤模型是从原材料疲劳S-N曲线数据、统计性能和可靠性的要求中推导出来的。钢支架的原材料的S-N曲线数据，如图17所示。在右悬置支架的耐久性分析中，对疲劳损伤评估的频率范围是从20到300Hz。总测试时间为100小时。在扫频范围内，支架的最大应力为159MPa，在频率为27Hz时，如图16所示。对于具有疲劳特性如图17所示的钢支架，并根据给定的可靠性要求，该支架的估计寿命是按悬置支架结构设计寿命的3.6倍来计算的。结论本文介绍了对发动机悬置系统进行CAE虚拟设计验证测试的工程过程。同时也介绍了基本的理论背景，和一些关键技术，如发动机试验荷载规范的定义，对发动机悬置衬套的实用的有限元建模方法，动态仿真技术和耐久性评价方法。这里也提供了一些汽车发动机悬置的例子来说明所提出的虚拟测试程序的应用及相关技术。对NVH性能的虚拟试验，悬置系统的发动机噪声的传输特性是通过使用点的迁移率结果来进行评估的。发动机的振动隔离，是通过与衬套的刚度和阻尼特性有关的悬置系统的传递性，来进行验证的。对于强度和耐久性虚拟测试，悬置支架的动态应力是首要进行模拟的，并要将之归类为高应力区。该支架结构的耐久性，是基于模拟应力和相应的材料损伤模型来进行评估的。所给的例子表明，在有限元模型中，发动机悬置衬套的非线性刚度和阻尼特性，在对发动机悬置系统的NVH和耐久性性能的评估中，起着至关重要的作用。发动机悬置例子的结果还表明，CAE虚拟试验方法，在产品开发阶段的早期阶段，不仅能发现潜在的NVH性能的问题，而且也能识别产品薄弱点和潜在的耐久性寿命的问题。虚拟试验揭示了产品性能与其设计参数的内在联系，并为改进设计提供指导。它还帮助我们实现在产品开发过程中，只需要一个成功的实体设计验证测试的目标。致谢作者要感谢，各个公司和团队所做的与发动机悬置和汽车产品相关的的工作，我们的零部件供应商和Tempo集团，以及鼓励和帮助我们的特别是来自Polarsun汽车和Summitech工程公司的管理层和同事。参考文献：1. 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