李勤华，吕品，周君，邓晓龙
（奇瑞汽车股份有限公司，安徽省芜湖市 241009）
[摘要]: 本文采用发动机振动分析软件A VL Excite与优化软件进行仿真分析，以壳体表面的振动速度为优化目标对发动机油底壳的NVH进行结构优化分析。经过数十轮次自动寻优计算后，可以快速得到理论上的最优结构方案，油底壳NVH性能得到明显提高。
关键词：振动、响应、优化、油底壳
主要软件：AVL EXCITE、OPTISTRUCT
Based on the Excite incentive for the oil pan structure
optimization
Li Qinhua, Lv Pin, Zhou Jun, Deng Xiaolong
(CHERY AUTOMOBILE CO LTD& An Hui Province Wu Hu City)
[Abstract] Using A VL Excite to analyze engine vibration and optimization software to optimize vibration response, NVH performance of an engine oil pan has been optimized. After several rounds of optimization cycles, the optimal structure scheme of the oil pan has been obtained quickly, and its NVH performance was improved significantly.
Keywords: Vibration、Response、Optimization、Oil pan
Software: AVL EXCITE 、OPTISTRUCT
1 概述
随着人们对汽车NVH日益关注，对发动机NVH性能的研究变得越来越重要，其中发动机薄壁件作为发动机最主要噪声源之一，备受关注。因此，对发动机薄壁件的NVH开发成为各大主机厂研究的一个重要方向。目前行业内普遍的方法是根据设计经验提出几个可行方案，经过CAE计算后，出相对较好的方案做样件，再经过台架实测确定这个方案是否满足NVH要求。若不满足要求，返回到设计修改的环节。这种开发流程费时费力，同时又不能确保最后的方案是最优结果。
本文采用发动机振动分析软件A VL Excite与优化软件进行仿真分析，对发动机油底壳的NVH进行了结构优化。首先从Excite整机振动分析数据平台提取油底壳激励数据，采用优化软件进行振动速度响应
优化分析，以油底壳的设计空间体积分数最小为优化目标，再以系统的第一阶固有频率及油底壳各表面振动速度为约束条件，对油底壳结构进行拓扑与形貌优化分析，并对优化后方案做振动响应特性评估，以验证优化效果。
2整机振动仿真分析
在仿真优化分析中，是以紧固螺栓的振动激励为初始条件，提取这些激励数据有两种途径，一是通过振动试验获取实测数据；二是通过有限元的方法获取零部件的激励数据。第一种方法对新开发零部件，则无法进行实际测试。第二种方法简单、高效，因此对于新开发机型、改型机或有振动问题需要改进优化的零部件，可以直接从Excite 整机数据平台提取振动激励数据。
发动机整机振动计算是采用有限元法、多体动力学方法等对动力总成整机NVH 进行分析的过程。分析结果用来评估发动机各主要结构、附件系统以及动力总成的振动噪声特性。在这里，我们主要关注发动机表面各个系统表面振动响应水平。
2.1有限元网格模型
整机分析采用的模型包括曲轴动力学模型（二阶四面体）动力总成有限元模型（二阶四面体）以及连杆简化模型等等。
雪铁龙c2油耗
由于动力总成的有限元模型规模比较大，而且大部分是薄壁铸
造件，为了达到适当的精度，整机的网格部分必须采用精度较
高的二阶四面体单元。该款4缸机的网格单元数约802.2 模型缩减 计算模型缩减的实质就是把整体结构的运动用主自由度的运动代替, 通过矩阵的缩减, 使从自由度从动力学方程的矩阵中消去, 仅保留能反映一定区域动力学特性(运动、变形和受力)节点的自由度, 即主自由度。在得到主自由度的运动状态后, 通过Excite 的内部算法恢复被消去的从自由度的运动。
本文中搭建整机振动模型是将各个系统拆分开来一一缩
减，主要有三个方面的好处：一是便于获取各个系统或零部件
的振动激励数据；二是拆分缩减，服务器缩减求解时间少；三
是零部件状态发生变更时，振动模型更改工作量较少，只需对
单个设变零部件进行重新缩减即可。
2.3 仿真模型 根据模型缩减的特点，为了方便单个零部件振动响应分析以及后续单个零部件结构优化提供标准激励，先将各个系统分开进行建模并关联相应的缩减文件，EXCITE 模型搭建多体动力学仿真模型如图2所示。
2.3计算边界条件
在整机振动仿真分析过程中，主要考虑以下边界载荷：气体爆发压力、配气机构产生的内力（凸轮轴轴颈处的激励、气门落座力、气门弹簧力以及液压挺柱力）、活塞敲缸力、曲柄机构的离心惯性力和往复惯性力等，这些边界载荷的准确性，直接影响整机振动分析的计算精度。
2.4仿真结果
通过动力总成的表面振动速度大小及分布，可以直观掌握结构振动情况。节点的振动速度通过A VL 软件Impress 转换成振动级VL ，VL 用来衡量结构噪声，可通过振动速度V 来得到：
smart fortwo怎么样图 1 整机有限元网格模型
图 2 整机Excite 仿真模型
式中：v0=5.e-8 m/s 为常数。
该发动机缸体、缸盖及油底壳表面振动水平，模拟值与试验值数据对比如下：
2.5 结果分析
试验结果和仿真结果同时用1/3倍频程表示，根据缸盖、缸体以及油底壳的试验与模拟结果对比，缸体与缸盖的仿真结果与试验结果趋势一致，误差值约5dB 左右，而油底壳的计算误差值约10dB ，这主要是因为计算中没有考虑油底壳内部机油的影响。通过以上分析，说明基于Excite 整机振动分析计算精度较高，可以为振动优化提供较精确的振动激励数据并进行零部件结构表面振动水平预测。 3优化分析
3.1 振动激励
发动机在运行时，油底壳承受来自
于发动机本体的各种激励，使油底壳表
面表现出横向弯曲、纵向弯曲、扭转及
局部振动变形等，这些振动激励都是通
过紧固螺栓进行传递的，然而油底壳的
减震自身结构特性也会反过来作用于发动机本体结构，产生一种振动耦合效应，从而影响振动激励的输出，也就是说，不同结构特征的零部件，通过Excite 计算得到螺栓点激励也是不一样的，如图4所示，就是油底壳某一个螺栓点X 、Y 、Z 方向上实部与虚部的激励数据。本文中的油底壳结构优化，就是以这些螺栓点振动激励为初始条件来优化油底壳的结构特征来改善NVH 性能，待结构优化方案确定后，再与初始方案进行Excite 振动响应对比计算。
3.2优化流程
优化过程需对原油底壳设计模型进行模态及频响分析，评估模态水平以及油底壳表面振动水平，然后结合布置边界条件确定设计空间并进行拓扑优化和形貌优化；最后根据优化结果进行重新建模与验证对比。
图 3 发动机缸体、缸盖及油底壳表面振动结果
图4 Excite 输出振动激励数据
3.3 拓扑优化
拓扑优化是在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布，结合发动机布置要求，确定油底壳前端面可设计的空间尺寸，以及容腔内部需要避让机油泵、吸油器等零件的安装空间（同时考虑了油底壳左右两侧附件支架的设计）。由于密封法兰的设计要求以及螺栓安装位置已确定，因此油底壳法兰和螺栓孔作为非设计域，容腔内部避让安装空间后剩余空间作为设计域。油底壳的设计空间如图5所示中黄区域。
对油底壳螺栓孔全约束，在螺栓处节点施加三个方向（XYZ ）振动激励，要求铸铝油底壳一阶频率大于限值，以及将油底壳底面中部、左侧、右侧以及后端面的表面振动速度为约束条件，优化目标为结
构设计空间的体积分数最小。在优化中还考虑了制造工艺的约束，包括控制拓扑结构的成员尺寸大小，油底壳内、外拔模，后端面侧向拔模等因素。
综上考虑了众多油底壳优化因素，利用优化软件中对设计空间进行拓扑优化，经过80余步迭代计算收敛，优化结果如图6所示。
迈腾1.8tsi图5 油底壳拓扑优化设计空间 图6 油底壳拓扑优化结果
比亚迪f0多少钱3.4 形貌优化
形貌优化用于设计薄壁结构的云状结构，在不增加重量的同时能提高结构的NVH 性能。计算过程与拓扑优化类似，在螺栓孔施加振动激励，载荷频率范围为0-4500Hz ，区别是优化区域只限于底部，图7和图8给出了形貌优化计算模型及优化结果。
图7油底壳形貌设计空间 图8 油底壳形貌优化结果
3.5 优化模型提取及验证计算
如图六所示，油底壳内部拓扑生成的加强筋分布云图非常明显，基于设计经验综合考虑后，油底壳内部形状设计如图9示；另外对于油底壳底面的形貌优化，通过10余次迭代后，底部云状位置区域也非常明显（如图7），对计算结果进行提取建模后，其结构如图10所示。
设计空间
非设计空间
图9 油底壳内腔加强筋分布 图10 油底壳底面云状分布
3.5 结果对比
将优化方案的油底壳模型缩减后重新放入Excite 整机计算平台分析并与原方案的结果进行振动速度的频谱分析，结果如图11所示。图中蓝虚线是初始方案振动响应曲线，红实线是优化方案同一位置
点振动响应曲线。 根据动力学仿真结果，优化方案表面振动速度水平明显低于原方案。
4、结论
本文从结构刚度与振动两方面考虑，基于发动机振动分析软件AVL Excite 与优化软件进行仿真分析，分析结论如下：
（1）基于仿真优化分析，得到油底壳最佳结构方案其振动速度明显降低，油底壳NVH 性能提到提高。
（2）本文中采用的结构优化方法，相对于传统方法更高效、更准确，为未来动力总成结构优化的提供了经验。
参考文献
[1] EXCITE Power Unit Users Guide.2013
限行尾号[2] 朱孟华.内燃机振动与噪声控制.国防工业出版社.1995.
[3] 张胜兰，郑冬黎，郝琪等.基于HyperWorks 的结构优化设计技术.机械工业出版社，2007.
[4] Masahiro Akei.Stress Prediction of Engine Components Resulting from an Engine Vibration. SAE
2013-32-9034
图 11 初始方案与优化方案仿真结果对比 Node1 Node2 Node3 Node4
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