基于MSC NASTRAN的发动机NVH分析及优化

基于MSC NASTRAN的发动机NVH分析及优化

郝涛1，2李凤琴1，2杨金才1，2蓝军1，2李林1，2孔德芳1，2饶思梁1，2

(1 重庆长安汽车股份有限公司动力研究院动力总成NVH所，重庆，401120；2汽车噪声

振动和安全技术国家重点实验室，重庆，401120；)

摘要：本文借助MSC NASTRAN软件，在解决发动机进气侧650Hz共振过程中进行了探索和研究。通过动力总成模态分析发现650Hz左右，发动机进气侧存在多个模态，且多数模态与发电机相关，然后对发电机进行频响分析，发现引起650Hz共振的模态频率是639Hz。之后对此模态进行优化设计，优化方案分别为减小发电机重量和增加发电机与缸体的连接处刚度，并对优化后的方案进行试验验证，试验结果表明通过减小发电机重量和在缸体内部增加加强筋的优化方案可有效解决进气侧650Hz共振。应用表明该软件具有精准的模态计算和频响计算功能，能很好的解决工程问题。

关键字：MSC NASTRAN 共振模态频响分析

Abstract: This paper use the MSC NASTRAN software to explore and research the engine intake manifold side resonance around 650 Hz. The modal analysis results of powetrain show there are several alternator modes around 650 Hz, So a frequency response analysis results reveals the cause of the resonance is the mode of 639 Hz. The optimization has been done by reducing the mass of the alternator and increasing the connecting stiffness of the alternator and the engine block, the optimization was validated by test. the MSC NASTRAN software could solve project problems effectively.

Key words: MSC NASTRAN Resonance Mode Frequency response analysis

1概述

汽车内部的噪声和振动现象，往往是由多个激励，经由不同的传递路径抵达目标位置后叠加而成的。当今汽车工业新产品研发过程中，为了进一步优化整车NVH性能，往往要综合考虑各个激励和传递路径的情况，频响分析（Frequency Response Analysis）就是一个行之有效的方法。通过频响分析，可以确定传递路径中那阶模态对响应的影响最大，即传递路径的模态贡献量分析，从而有目的、有方向的进行整车NVH性能分析及优化。[1]本文以解决某发动机进气侧650Hz共振问题为目标，运用MSC NASTRAN软件进行模态分析与频响分析，然后进行结构优化，最后进行试验测试验证。本文综合了仿真分析和实验测试，详细阐述了模态分析、频响分析方法在解决共振问题中的应用和效果。

2问题背景

某发动机NVH台架试验测试过程中，试验现场主观评价发现：在2300rpm（50%油门，140N.m）工况下，发动机缸体区域存在敲击异响。通过试验测试分析，确认是进气侧噪声

存在650Hz共振带（带宽100Hz），并且负荷越大，转速范围越大，共振程度越严重。如图1所示。

图1进气侧650Hz共振坎贝尔图

因此，需要对进气侧相关部件进行模态分析，确认进气侧哪些零部件可能引起650Hz 共振，然后进行优化分析，改善进气侧650Hz共振，消除发动机缸体区域存在敲击异响。

3 原因分析

造成进气侧650Hz共振的原因有以下几种可能：（1）曲轴扭振；（2）缸体共振；（3）发电机共振等，为此一一展开分析。

3.1 因曲轴系共振引起

曲轴皮带轮通过皮带带动发电机运转，如果皮带轮共振，可能会引起发电机共振。另外，试验测试表明，曲轴二阶扭转频率为640Hz ，处于650Hz共振带范围内，可能会引起发电机共振。为此，改变曲轴扭转频率：将原来一阶扭转频率为360Hz的TVD，换装为一阶频率为390Hz的TVD，进行试验验证，试验结果如图2所示：

图2换装TVD试验对比坎贝尔图

使用390Hz的TVD后，进气侧2250-3300rpm范围的650Hz共振噪声减弱，但共振带依然存在，说明此共振不是由于曲轴TVD引起的。

3.2 因发电机共振引起

发电机在发动机装配状态下自身共振以及连接处的共振也有可能造成进气侧650Hz共振，所以需要拆除发电机（即缸体减少外挂质量）进行对比试验分析，试验对比结果如图3所示。

图3拆除发电机试验对比坎贝尔图

拆除发电机，进气侧1m噪声对比结果显示650Hz共振大幅减弱，说明发电机与进气侧650Hz共振密切相关。

4问题分析

4.1 模态分析

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。

对装配有发电机的动力总成进行模态分析，首先，应用通用前处理软件建立动力总成有限元模型，其次，进行动力总成有限元模型装配，最后，进行发电机质心、转动惯量及其质心坐标的调整，计算模型如图4所示。

图4模态计算模型

模态分析结果显示，600-700Hz和发电机相关的模态有5个，如图5所示：

图5605Hz左右与发电机相关的模态

结果显示，发电机模态的应变能主要集中在连接部位，说明发电机的连接刚度以及缸体局部刚度较差，而发电机本身刚度足够。

4.2 频响分析

频响函数获取：对于结构声，称激励源侧为主动方，目标点侧为被动方。以发动机发电机和缸体为例，则缸体为主动方，发电机为被动方，被动方与主动方通过支架和螺栓连接在一起。本文所分析的结构频响函数指主动方缸体到目标点发电机的频响函数。