來源：安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

發(fā)動機的外圍支架是引起其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振的關(guān)鍵因素，在基于噪聲振動測試的基礎(chǔ)上，對懸置支架、發(fā)電機調(diào)支架和空壓機支架進行結(jié)構(gòu)分析，通過模態(tài)分析優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，并通過振動試驗實際測量實際的優(yōu)化結(jié)果。通過分析與測試手段的結(jié)合，有效提升了發(fā)動機外圍支架的振動頻率，從而避免了共振風險，為分析的準確性與發(fā)動機噪聲振動數(shù)據(jù)的積累奠定了基礎(chǔ)。

隨著汽車行業(yè)對發(fā)動機NVH品質(zhì)的關(guān)注，發(fā)動機外圍支架的設(shè)計也越來越受到關(guān)注，提升支架的固有振動頻率，有效避開發(fā)動機的共振頻段，成為改善發(fā)動機振動的有效手段。發(fā)動機噪聲振動測試與有限元分析手段不斷發(fā)展，目前已經(jīng)形成優(yōu)化發(fā)動機外圍支架的方法：首先通過測試獲得發(fā)動機外圍支架的振動，然后采用有限元分析優(yōu)化其固有頻率，再以振動測試檢測實際優(yōu)化的結(jié)果，以此形成一個閉環(huán)。結(jié)果表明，有限元分析能夠提供支架優(yōu)化方案，通過實驗驗證能夠明顯改善支架類零件的振動情況，同時也為發(fā)動機噪聲振動數(shù)據(jù)的積累奠定基礎(chǔ)。

發(fā)動機外圍支架測試

通過對發(fā)動機外圍支架的初步測量：懸置支架的一階頻率為202Hz，發(fā)電機支架的一階頻率為151Hz，空壓機支架的一階頻率為174Hz。

對于支架類零件，要求其固有頻率大于發(fā)動機點火頻率；對于懸置支架等重要零件，要求其固有頻率大于2倍發(fā)動機點火頻率。以發(fā)動機的設(shè)計轉(zhuǎn)速為5490r/min計算，要求發(fā)電機支架、空壓機支架的振動頻率在183Hz以上，懸置支架的振動頻率在367Hz以上。從測試結(jié)果分析來看，懸置支架的頻率遠遠低于設(shè)計的最低要求，而發(fā)電機支架的頻率在最低要求邊緣，空壓機支架頻率滿足最低要求。從測試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

⑴ 懸置支架振動頻率低，必須進行優(yōu)化，以避開發(fā)動機的共振頻段，并減小共振能量。

⑵ 發(fā)電機支架的振動頻率在最低要求邊緣，也需進一步優(yōu)化，以提高發(fā)動機整體振動性能。

⑶ 空壓機支架的振動頻率高于最低要求，但是從頻率范圍的要求看，依然存在優(yōu)化空間。

有限元分析

在Hypermesh中建立有限模型，包括缸體、油底殼、法蘭、懸置支架、水泵、發(fā)電機、發(fā)電機支架、空壓機、空壓機支架和螺栓（見圖2）。有限云模型完成后，提交NASTRAN進行計算（具體陣型如圖3所示）。懸置支架的一階陣型為繞著X軸上下振動，其振動頻率為336Hz；發(fā)電機支架的一階陣型為繞著Y軸前后振動，其振動頻率為154Hz；空壓機支架的一階陣型為繞著Y軸左右振動，其振動頻率為220Hz。

測試與分析頻率值比較

下表中列出的是三個支架測試與分析頻率值的比較結(jié)果。從表中可以看出，假設(shè)測試結(jié)果接近真值，則懸置支架模態(tài)頻率計算誤差為66%，發(fā)電機支架模態(tài)頻率計算誤差為1.9%，空壓機支架模態(tài)頻率計算誤差為26%。通過比較，懸置支架的分析誤差較大，而發(fā)電機支架的分析誤差最小，空壓機分析誤差居中，因此通過分析得到的優(yōu)化結(jié)果必須進一步通過實驗來驗證。

新方案的分析與測試驗證

針對模態(tài)陣型與模態(tài)頻率，采用拓撲優(yōu)化的方法對上述三個支架進行優(yōu)化，由于分析與實驗之間存在一定誤差，因此需要對優(yōu)化結(jié)果進行驗證，以保證優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

1. 新方案的分析結(jié)果

通過模態(tài)優(yōu)化，三個支架的一階模態(tài)頻率均已達到設(shè)計要求。

2. 新方案的測試結(jié)果

懸置支架新舊方案的對比，從測試結(jié)果可以看出：懸置支架優(yōu)化后，其一階振動頻率并沒有明顯提高，依然在202Hz附近。但是202Hz振動頻率下的振動能量減少很多，300～500Hz頻段下的振動情況明顯得到改善。

發(fā)電機支架新舊方案的對比，從測試結(jié)果可以看出：發(fā)電機支架優(yōu)化后，其一階振動頻率有所提高，從原來的151Hz提高到174Hz，174Hz附近的振動能量明顯降低，X方向的振動情況明顯得到改善，振動頻率依然低于要求。

空壓機支架新舊方案的對比，從測試結(jié)果可以看出：空壓機支架優(yōu)化后，其一階振動頻率有所提高，從原來的174Hz提高到188Hz，振動頻率滿足于要求，且 X方向的振動情況明顯得到改善。

結(jié)論

（1）使用測試－分析－再測試的閉環(huán)分析方法，可以實現(xiàn)對發(fā)動機外圍支架的優(yōu)化。

（2）分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果存在一定偏差，這與分析模型的簡化、材料數(shù)據(jù)的使用有明顯的關(guān)系，后期需要根據(jù)實驗結(jié)果重新標定分析模型。

（3）對優(yōu)化后的方案進行測試，盡管懸置支架和發(fā)電機支架的模態(tài)頻率值沒有達到預(yù)期要求，但是從測試結(jié)果可以看出，兩個支架在共振頻率下的振動能量明顯下降。當振動頻率接近共振頻率時，容易引起共振，但是振動能量小，引起的共振也只是暫時的或微小的，在發(fā)動機工作工況改變后，這種情況就會消失。由于發(fā)動機的布置空間有限，能夠優(yōu)化的空間也比較小，若無法有效避開共振頻率，就應(yīng)當盡量減小振動能量，以降低風險。

（4）采用拓撲優(yōu)化的手段對發(fā)動機外圍支架進行優(yōu)化，從分析的角度來看，支架的模態(tài)是可以有效改善的。