文献翻译CAE虚拟的汽车发动机悬置系统的设计验证测试

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1、汽车发动机悬置系统的汽车发动机悬置系统的 CAE 虚拟设计验证测试虚拟设计验证测试Hong Su 、Young HuaSummitech 工程公司版权所有2009 SAE 国际摘要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

2、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

3、言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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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（）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

9、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

10、，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

11、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

12、 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

13、，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

14、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

15、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

16、统的建模技术，如 12 所介绍的。在时间域结构模型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