基于simulation的燃油喷射系统有限元分析设计

引言

随着中国机动车保有量的不断增加,以及机动车市场的竞争日趋激烈,导致人们对机动车的品质要求越来越高。同时,机动车的轻质化和质量不断上升,其振动和噪声控制情况直接决定了消费者的体验度,因此关于机动车的振动分析和模态分析越来越受到各大机动车设计厂商的重视。

设备在受力不均匀时会产生强烈的振动,这种振动一方面会产生噪声,影响使用者的体验度,另一方面振动可能会损坏设备。由于人体的固有频率是3~17Hz,如果设备的固有频率和激励的频率相当,会导致设备共振,对设备或者人体都有可能造成损坏。

1燃油喷射系统数学模型的构建

1.1固有频率的属性

任何设备和任何物体都具有固有频率,其固有频率的大小主要取决于设备质量和设备结构。当外力的振动周期和设备的固有频率一致时,会发生共振现象,虽然有衰减力作用但不会使其振动降低,所以需要避免共振,对共振进行分析。固有频率的定义可以表示为:

式中,f为系统的固有频率(Hz):w0为固有角频率(rad/s):k为系统的刚度系数(N/m):m为系统的质量(kg)。

1.2振动分析的有阻尼的多自由方程模型

振动分析可以分为单自由度、二自由度和多自由度系统,而设备振动往往由几阶甚至十几阶的简谐振动组成。但是,一般而言,低阶频率所占的比例相对较多,所以振动分析可以近似看作是有限的自由度系统。其振动分析的有阻尼的多自由方程可以表示为:

式中,[M]为系统的质量矩阵,且为n×n的对角矩阵,矩阵内部的任意一个元素可以记为mij:[C]为系统的阻尼矩阵:[K]为系统的刚度矩阵,为n×n的对角矩阵,矩阵内部的任意一个元素可以记为kij:(x)为广义坐标n阶矩阵,矩阵内部的任意

一个元素可以记为xij,(x·)和()分别为(x)的一阶和二阶导数:(F(t))为外激励力的n阶矩阵,矩阵内部的任意一个元素可以记为Fij。

1.3振动分析的有限元分析数学模型

连续性方程分析只适用于特定情况,比如杆件和梁等简单的部件。连续性方程并不适合复杂的机械设备,所以工程应用中多采用有限元分析的方法,对设备进行相关的振动分析。有限元中的振动分析主要采用矩阵分析的方法,将设备划分成无数的网格[2],而网格的各个顶点就是分析的节点,将各个节点进行整合就可得到总体设备的矩阵方程,总体方程可以表示为:

式中,[M]为系统的质量矩阵:(x)为节点位移的未知量:(F)为节点载荷的已知量。

1.4振动分析的统计能量分析法

机动车结构的有限元分析的通用方法是进行20阶以内的分析求解,因为20阶以上的振动的模态分析将会导致模态分析的密集化,同时由于高阶模态过于密集,所以也很难分辨出子结构振动能量的来源。为了弥补高阶模态分析存在的问题,提出了统计能量分析法,不同于模态分析法,统计能量分析法适用于高频复杂的结构动力学分析情况,二者互为补充。

2几何模型的相关分析

2.1节气门的模型建立

simulation是达索公司的一款力学分析软件,具有静力学分析、频率分析和疲劳分析等分析模块。本次分析将在simulation平台上进行。当模型建立之后,分析软件会自动计算出质量、体积、表面积、质量中心、重心的分布、惯性主轴和惯性主矩的相关参数。而计算机计算出的这些参数是由模型的形状和材料决定的,并不意味着模型越接近真实形状,计算效果越好。为了简化计算和网格划分,通常需要将不必要的一些特征、结构和相关零件等删除后进行相关计算。

2.2几何模型的网格划分

任何结构进行振动分析时,都需要提前进行离散化处理,振动分析的离散化处理是将需要分析的设备假想成连续的弹性体。通过离散化后,设备被划分成多个网格,网格的顶点作为分析的节点。单元与单元之间的载荷传递只能通过节点之间相互传递,在计算完单元的节点之后进行相关的矩阵坐标系变换,再将整体节点进行装配后计算。为缩短计算时间,并得到高精度的结果,必须对网格的划分加以重视,不然可能导致划分的网格无法计算,或者计算的时间过长。

3节气门的振动分析结果

汽车的节气门属于发动机的进气系统,节气门就是一个可控制的阀门,通过调节节气门的阀门,可以调节进入发动机的气体流量。车辆的振动来源非常复杂,主要来自5个方面,分别是发动机和传动系统、制动系统、转向系统、悬架系统和车身与车架系统。本次研究的主要是发动机和传动系统的振动对于节气门的影响,因为节气门与发动机是直接相连的,发动机系统的振动,直接决定了节气门系统的外部激励。来自发动机的振动主要是由于发动机内的燃气压力和运动零件的运动不平衡造成的,其中由于曲轴的扭振带来的影响也不可以忽略。同时,由于节气门进气前和进气后的压力不平衡,导致的节气门振动也不可忽略。表1为节气门壳体在不同模态下的固有频率,车辆在设计时应当避免振动长时间处于壳体的固有频率之下。

3.1节气门壳体的模态分析

振动分析就是在激励条件、系统特征和振动分析中,已知其中的两个变量求第三个变量的过程。在振动分析过程中,除了其固有频率是我们所关注的问题,还需要关注设备的模态形状,通过观察设备在相应的频率下的振幅情况,可以对设备的变形量和变形形式进行简单评估,以便于设计和优化进行相关部位。节气门壳体的模态形态如图1所示。

图1节气门壳体的模态形态

3.2节气门阀门的模态分布

机动车的油门踏板是与节气门阀门直接相关的,平时控制的油门其实并不是控制汽油的量,而是控制节气门的阀门开度。当踩下油门时,由于踏板是与节气门的进气帆板直接相连的,所以此时发动机会吸入一定量的气体,进而可以调节发动机的运行。

振动导致的设备损坏与疲劳非常类似,疲劳分为高周疲劳和低周疲劳,其中按照其循环数的不同,以104次为分界点,在这个分界点以上的为高周疲劳,在这个分界点以下的为低周疲劳。而振动是在短时间内当激励以某特定频率作用于设备时导致的设备损坏。因为进气量的不均匀也会导致节气门的阀门受到一个不断变化的力,所以需要对节气门的固有频率和其可能出现的变形形态进行一个大致评估。节气门阀门的模态形态如图2所示。

图2 节气门阀门的模态形态

4结论

(1)对燃油喷射系统的节气门壳体、阀门的振幅和固有频率分布情况进行了模拟仿真,得到了燃油喷射系统的节气门的相关参数,这对节气门的外形设计和发动机振动频率的选择有指导作用。

(2)对燃油喷射系统的设计还需要进行节气门的流体分析和车体的振动分析,但是由于篇幅问题在此不再赘述。同时,对于节气门的电路也需要进一步分析。