关于发动机NVH仿真-AVL EXCITE计算

DrLan

发动机NVH的EXCITE仿真
DrLan

    建立在AVL EXCITE和有限元软件的基础上，根据发动机NVH的不同关注内容，简要地叙述如下：

一. 发动机悬置优化

1.方法：悬置系统固有特性计算、解耦分析、多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、Matlab（或其它数学工具，方便地计算悬置系统固有特性）、有限元软件（简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）
3.计算总体时间：短（主要是因为动力总成可考虑成质点或质点组合，一般用3D的CAD模型测得，无需有限元网格）
4.输入数据：
    (1).悬置特性（试验测得）和位置：非线性刚度和阻尼
    (2).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (3).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (4).曲轴（含飞轮、皮带轮或扭振减振器等）：3维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (5).动力总成质量数据和基本几何尺寸：刚性体模型，由质点表述
5.结果评价：
    (1).用Matlab构建悬置发动机系统，计算悬置系统固有频率，计算临界转速、了解各方向的耦合状况，分析解耦方案（通过改变悬置位置、悬置刚度、调整动力总成质量分布等等）
    (2).EXCITE计算悬置发动机侧的振动（三向的位移、速度、加速度），以及悬置力，避免发动机整个转速工况内的悬置共振，避免过大的悬置动态变形，避免过大的悬置内力
    (3).EXCITE计算得到发动机各处的位移结果，确保限位要求
6.模型难度：易（适用于整机厂和整车厂的悬置匹配方案制订）
7.模型深度：
    (1).考虑悬置系统特性（由试验测得的橡胶悬置或液压悬置特性），方便修改悬置点位置和方向的定义，快速重新计算
    (2).考虑多缸机的燃气力、往复和旋转惯性力、倾覆力矩等
    (3).考虑轴承间隙、高速飞轮陀螺效应等非线性激励的影响
    (4).可考虑调整平衡率，或使用平衡轴等，定义方便
    (5).结合底盘和整车悬架系统固有频率（模态分析或试验），避免共振
    (6).等
8.计算精度：适合于悬置的选择和匹配，精度较高

二. 发动机整机（即动力总成）振动优化

1.方法：动力总成等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（动力总成、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）
3.计算总体时间：较长（主要是动力总成的有限元网格划分）
4.输入数据：
    (1).悬置特性（试验测得）和位置：可考察非线性刚度和阻尼特性
    (2).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (3).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (4).曲轴（含飞轮、皮带轮或扭振减振器等）：三维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (5).动力总成有限元网格和缩减：包括机体、缸头、缸盖、油底壳、附件等
5.结果评价：
    (1).结构模态有限元分析，特别关注动力总成在1000Hz以内的Global模态成分及其临界转速，分析它们对悬置和发动机振动可能带来的影响
    (2).EXCITE计算获得悬置发动机侧的振动（三向的位移、速度、加速度）、悬置力等结果，同时还可进行轴系扭振、曲轴和机体强度、液体动力学轴承计算、整机噪声分析等，是一个较为完整的发动机动力学模型
    (3).避免在发动机整个转速工况内的系统共振，避免过大的悬置动态变形，避免过大的悬置内力，还可评价整机振动烈度等相关内容
    (4).本EXCITE计算得到的整机振动响应，考察了悬置发动机系统固有特性、弹性体动力总成模态、激励频率成分及其强度，以及它们之间可能的耦合关系等
6.模型难度：中（国内已有多家进行了成功计算，适用于发动机厂的发动机振动控制，整车厂的高精度的悬置匹配分析等）
7.模型深度：
    (1).定义橡胶悬置或液压悬置特性（特性本身由试验测得）
    (2).考察动力总成模态的影响，包括悬置布置、整机质量布置、整机刚度状况、模态和频率状况
    (3).考虑多缸机的燃气力、往复和旋转惯性力、倾覆力矩，以及轴承间隙、高速飞轮陀螺效应等非线性激励的影响
    (4).可考虑调整平衡率，或使用平衡轴等，定义较为方便
    (5).结合底盘或汽车悬架系统的固有频率（模态分析或试验），避免共振
    (6).其它内容：轴系扭振、曲轴和机体强度、液体动力学轴承计算、整机噪声分析，等
8.计算精度：适合于发动机振动计算分析，悬置匹配计算等，精度高

三. 发动机整机和底盘耦合振动优化
1.方法：动力总成、底盘等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（底盘、动力总成、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）
3.计算总体时间：很长（主要是动力总成和部分底盘的有限元网格划分，以及整车悬架系统参数的获取等。也可以降低模型深度，见下面模型深度中的叙述）
4.输入数据：
    (1).悬置特性（试验测得）和位置：可考察非线性刚度和阻尼特性
    (2).车辆底盘悬架系统刚度阻尼等基本参数（需试验获得）
    (3).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (4).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (5).曲轴（含飞轮、皮带轮或扭振减振器等）：三维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (6).动力总成和底盘有限元网格和缩减等
5.结果评价：
    (1).为了解发动机振动对操控性的影响，特别关注发动机悬置系统(Matlab)、整车悬架系统(Matlab)、底盘模态(FEA)、发动机模态(FEA)、载荷频率特性(EXCITE)、整机振动响应(EXCITE)之间的相互关系
    (2).EXCITE强迫振动计算结果获得：悬置发动机侧的振动（三向的位移、速度、加速度），以及悬置力，进行悬置综合隔振分析
    (3).在发动机转速范围内，避免悬置系统的低频共振，避免过大的悬置动态变形，避免过大的悬置内力等
    (4).在发动机转速范围内，避免底盘或汽车悬架系统的低频共振
    (5).在发动机转速范围内，避免发动机整机或悬置支架等的中频共振
6.模型难度：难（国外有客户进行过分析）
7.模型深度：
    (1).如果仅关注整车悬架系统、发动机悬置系统的低频耦合状态，可将发动机和底盘用刚体模型代替（无需发动机和底盘的有限元模型），模型深度大大降低，便于初期方案的快速制订，也便于模型修改
    (2).关注整车悬架系统刚体模态、发动机悬置系统刚体模态、弹性底盘模态、特性动力总成模态、激励频率和强度等的综合影响。其中：整车悬架系统和底盘模态特性，包括整车质量和悬架刚度布置等；动力总成模态特性，包括悬置布置、整机质量布置、整机刚度状况、模态和频率状况等
    (3).考虑多缸机的燃气力、往复和旋转惯性力、倾覆力矩等；以及轴承间隙、高速飞轮陀螺效应等非线性激励的影响；可考虑调整平衡率，使用平衡轴等
    (4).进一步：对于柔性底盘的模型，可进行底盘振动速度级的计算，分析噪声辐射的状态
    (5).等
8.计算精度：适合于车辆中发动机振动及其对底盘振动影响的分析，精度中（取决于底盘有限元模型和整车悬架系统的精度）

四. 曲轴箱和油底壳噪声

1.方法：动力总成等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（动力总成、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）
3.计算总体时间：较长（主要是动力总成的有限元网格划分）
4.输入数据：
    (1).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (2).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (3).曲轴（含飞轮和皮带轮等）：3维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (4).动力总成有限元网格和缩减：包括机体、缸头、缸盖、油底壳、附件等
5.结果评价：
    (1).结构模态有限元分析，特别关注500-3000Hz频带内的全局和局部模态
    (2).EXCITE计算发动机工作时的激励力（轴承力和力矩等），避免发动机整个转速工况内产生强烈的表面速度
6.模型难度：中（国内已有多家进行了成功计算）
7.模型深度：
    (1).了解油底壳模态、机体模态、和激励的关系，避免强烈共振的发生
    (2).考虑多缸机的燃气力、往复和旋转惯性力、倾覆力矩、轴承间隙等的影响
    (3).等
8.计算精度：适合于油底壳的噪声优化，精度高

五. 配气传动机构向发动机表面传递的辐射噪声

1.方法：动力总成等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（动力总成、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）、TYCON（配气机构激励源计算）
3.计算总体时间：较长（主要是动力总成的有限元网格划分、TYCON计算）
4.输入数据：
    (1).配气传动机构参数（TYCON计算：阀系形式、传动形式、凸轮型线、零部件质量刚度等）
    (2).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (3).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (4).曲轴（含飞轮和皮带轮等）：3维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (5).动力总成有限元网格和缩减：包括机体、缸头、缸盖、油底壳、附件等
5.结果评价：
    (1).TYCON动力学计算评价
    (2).结构模态有限元分析，特别关注500－3000Hz内的模态
    (3). EXCITE计算发动机工作时，配气传动系的激励噪声，避免产生局部噪声过大
6.模型难度：中（国内已有多家进行了成功计算）
7.模型深度：
    (1).与TYCON联合计算，考虑阀系和传动系的激励影响
    (2).改善凸轮型线，减小凸轮机构的激励
    (3).减小皮带、或链条、或齿轮传动对机体的激励力
    (4).提高相应部位刚度等
8.计算精度：适合于配气机构激励传递到发动机表面的响应分析，即表面辐射噪声分析，精度高

六. 活塞敲击气缸向向发动机表面传递的辐射噪声

1.方法：动力总成等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（动力总成、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）、GLIDE（活塞缸套敲击力计算）
3.计算总体时间：较长（主要是动力总成的有限元网格划分，GLIDE计算）
4.输入数据：
    (1).GLIDE的活塞二次运动计算，获得活塞对缸套的激励力
    (2).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (3).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (4).曲轴（含飞轮和皮带轮等）：3维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (5).动力总成有限元网格和缩减：包括机体、缸头、缸盖、油底壳、附件质点等
5.结果评价：
    (1).整机模态有限元分析，特别关注500－3000Hz内的模态
    (2).EXCITE计算活塞敲击对噪声的贡献
    (3).修正活塞型线、活塞销偏移量、活塞间隙、活塞刚度等，减小活塞二次运动对缸套的激励
6.模型难度：中（国内已有多家进行了成功计算）
7.模型深度：
    (1).与GLIDE联合计算
    (2).考虑活塞对缸套的二次运动高频激励力（敲击力）、以及燃气力、往复和旋转惯性力等
    (3).减小活塞敲击、调整机体相应部位的刚度，改变传递路径，等
8.计算精度：适合于活塞敲缸噪声分析，精度高

七. 变速箱结构表面辐射噪声

1.方法：变速箱等有限元模态分析、弹性体多体动力学强迫振动计算
2.软件：EXCITE(发动机强迫振动计算)、有限元软件（动力总成、变速箱、简易连杆和简单弹性体曲轴缩减）；TYCON（变速箱的齿轮啮合力的计算，或由其它方法获得）
3.计算总体时间：较长（主要是动力总成和变速箱的有限元网格划分，TYCON变速箱计算）
4.输入数据：
    (1).变速箱参数，档位设定等
    (2).发动机基本参数（缸径、行程、转速、燃气压力曲线等）
    (3).连杆和活塞质量数据：快速产生简易模型
    (4).曲轴（含飞轮和皮带轮等）：三维CAD模型，快速产生弹性体简易模型
    (5).动力总成有限元网格和缩减：包括机体、缸头、缸盖、油底壳、附件质点
    (6).飞轮壳和变速箱等有限元网格和缩减
5.结果评价：
    (1).TYCON计算，了解变速箱啮合特性的影响，包括轮齿啮合、轮盘惯性、各级轴和轴承刚度等
    (2).变速箱模态有限元分析，特别关注500－3000Hz内的模态成分
    (3).EXCITE计算结果，进行噪声恢复后得到变速箱表面速度响应
6.模型难度：较难（涉及飞轮、变速箱和离合器等问题，国外客户已有计算）
7.模型深度：
    (1).可考虑刚性机体、柔性飞轮壳和变速箱，降低有限元模型划分难度
    (2).与TYCON联合计算，减小影响齿轮啮合力和转速波动的因素
    (3).考虑变速箱结构刚度影响
8.计算精度：适合于变速箱噪声分析，精度较高

zhangpengwei

蓝博士，您太厉害了，多多指点我们，我们都没有做到这么深的地步，真是惭愧啊！以后多多努力！谢谢指教！

luomadiwang

Drlan， AVL的Excite对于悬置的描述只有频域特性，目前几个软件只有ADAMS可以模拟不同振幅、不同频率的悬置特性，请问在AVL AWS中能实现吗？谢谢！

DrLan

EXCITE有几种悬置类型，适应于不同的情况下使用。

1、一般的橡胶悬置，其刚度和阻尼随位移变化的非线性特性较强，EXCITE提供了非线性刚度和非线性阻尼的NONL悬置模块，其力学模型和特性如下图：

DrLan

2、对于必须考虑刚度特性随频率变化的悬置，最简单的一种EXCITE悬置类型为SLS，其力学模型和特性如下图。
     SLS仅考虑简单的随频率而增加的刚度幅值和相位特性，适用于必须考虑刚度的频率特征的橡胶悬置，或者频率特性简单的其它悬置。
     SLS在某一频率下的刚度是常数值，即：在该频率下，不考虑该频率振幅大小不同时对应的悬置刚度的不同。在高频小振幅的情况下，这样的处理既方便，误差又不会很大。EXCITE中的确没有动静刚度随振幅和频率同时变化的MAP特性。

[ 本帖最后由 DrLan 于 2006-8-25 12:36 编辑 ]

DrLan

3、对于更复杂一些的悬置刚度特性，比如液压悬置，需要选用EXCITE的EMO1类型。其力学模型和特性如下图。考虑其一个单峰的刚度－频率特性。

DrLan

4、对于更加复杂的悬置，如果必须要考虑其刚度－频率的多峰特性，则可使用更加复杂的力学模型了。在EXCITE中需要自行搭建。如下：

DrLan

我不太清楚ADAMS中是如何同时考虑振幅和频率的刚度MAP特性的。
     下面是ADAMS中的一种悬置的力学组合，1、由于定义的是刚度和阻尼常数，所以其总刚度并不随振幅变化，2、由于无小质量块，所以其刚度只有简单的非线性频率特性。也就是说，这个模型，相当于我上述的EXCITE中的SLS悬置。

[ 本帖最后由 DrLan 于 2006-8-25 12:37 编辑 ]

luomadiwang

Dr Lan，感谢您的精彩回答！ADAMS/Car Ride模块中有专门用于液压悬置的模型，但是好像只能在Car里边用。像Kelvin-Voigt，Maxwell模型其实在描述高频的阻尼方面都有很多曲线，目前我在研究一种分数导数摩擦模型都是可以很好地解决这种问题；对于液压悬置，线性的集中参数模型只能在低频（50Hz）对液压悬置进行描述，如果要很好地描述其随预载、激励振幅和频率的非线性特性还得建立非线性模型，但是像获得试验测试很难，其实类似用ADAMS的Hydromount（Audi的模型）模型应该在工程上可以获得较为广泛的应用，因为其需要输入的数据包括大小振幅，然后进行参数辨识获得模拟需要的参数，其可以同时考虑液压悬置解耦前后的特性，不知Excite在这方面的接口如何，能否自己建模型进去!谢谢！

[ 本帖最后由 luomadiwang 于 2006-9-4 14:23 编辑 ]

DrLan

罗马帝王，您是专家，以后有问题还希望能一起探讨。

EXCITE中的Kelvin-Voigt，SLS类型只能表述简单的悬置特性。

对于液压悬置，EMO1可表述稍微复杂一些的特性，它也是自动识别实测的刚度幅频和相频特性（或实测的实频虚频特性），当量成某种质量/弹簧/阻尼的组合。但是要很好地识别也是很麻烦的，要不断试凑。昨天问总部的工程师，告诉我的也是用识别程序试凑，但是他说：the better the measurement data is, the better the identification will be.而且EMO1也无法表述你所述的复杂特性(随预载、激励振幅和频率的非线性特性)。

EXCITE现在还没有开放的接口。但现在的版本加上了试用的MATLAB接口，所以可以用MATLAB自定义一些模块。

[ 本帖最后由 DrLan 于 2006-9-5 17:04 编辑 ]

luomadiwang

我也是在公司里，现在正在往该方面研究而已，如果有Matlab接口的话那还可以，只是在时域上的求解比较困难，频率上则比较简单！请问Dr.Lan是否是AVL的？去年我们差点就买了AVL的扭振设备，最后因为我们只是用到一部分功能，因此性价比太高而放弃！后来买了BBM的！

DrLan

EXCITE是时域计算的，只是结果处理时可转换到频域。我是AVL的。

postdog

很好啊。我的动力总成的模型已经快完成了，不过分析起来恐怕很花时间。。。

firice

版主Drlan太猛了.

DrLan

你的话题具有代表性，我另开一个主题，我们到那里去讨论。

jyj_nvh

haohaohao

haohaosir

(4).曲轴（含飞轮和皮带轮等）：3维CAD模型，快速产生弹性体简易模型。

您这句话的意思是：做NVH仿真，曲轴可以不用Nastran进行Reduction，那么机体的主轴承壁还是要做成5排节点吗？
曲轴的3维CAD模型，应该保存为stl格式后由Shaftmodeler利用Fame自动划分网格，即产生弹性体简易模型NOD6。是这样的吗？

DrLan

做NVH仿真，曲轴可以不用Nastran进行Reduction，
蓝：是

那么机体的主轴承壁还是要做成5排节点吗？
3×28以上

曲轴的3维CAD模型，应该保存为stl格式后由Shaftmodeler利用Fame自动划分网格，即产生弹性体简易模型NOD6。是这样的吗？
蓝：差不多这样。工具是Shaftmodeler中的Autoshaft.