基于ABAQUS的发动机进气系统动态响应分析.docx

基于ABAQUS的发动机进气系统动态响应分析

张贝,黄鹏程,陈凯

泛亚汽车技术中心有限公司

摘要:本文基于ABAQUS的模态分析和稳态动力学分析功能，分析了某发动机进气系统在台架实验

振动激励下的动态应力，并计算了节气门体的加速度峰值。文章首先介绍了发动机进气系统结构分

析方法，然后通过对比三种进气系统设计方案，讨论了不同的支架设计对进气歧管和节气门体结构性能的影响，为设计开发提供了合理的建议，最后通过了试验验证。

关键词:发动机进气歧管节气门动态响应

1.引言

进气系统是指将空气或者混合气导入发动机汽缸内的零部件集合，包含进气岐管、节气门、进

气门机构等。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、温度适当的空气进行燃烧，以最大限度的降低发动机磨损并保持最佳的发动机性能，在合理的保养间隔内有效的过滤灰尘并保持进气阻力

在规定的限制内。

由于进气端的温度较低，复合材料开始成为热门的进气岐管材质，其质轻而内部光滑，能有效

减小阻力，增加进气的效率。然而，因为轻量复合材料的使用，使进气系统的固有频率比金属进气岐管低，因此需要校核进气岐管在工作状态下的强度，同时节气门体需要满足振动加速度的要求。

本文以某发动机项目为例，对塑料进气岐管和节气门体进行了动态响应分析。

在某轿车用发动机项目的开发早期，为校核进气系统的结构强度，确定节气门体的支架设计方

案，通过CAE分析结构动态响应来评价各种预备方案下，进气歧管本体的强度和节气门体的振动加

速度，以为设计提供指导。开发阶段的后期，通过试验与CAE仿真结果的对比，验证了分析方法的

可行性。

图1.进气系统示意图

2.仿真模型与边界条件

2.1仿真思路

首先，通过模态计算检验三个进气系统模型的固有频率是否能达到目标值。如果模态能满足要

求，说明结构总体刚度具有一定余量，无须进行后续动态计算；如果模态不能满足要求，则进行动

态响应分析，校核结构动态强度和振动加速度，并进行优化，选择一个能达到目标的方案。具体仿

真流程见图2。

图2.仿真流程

2.2基于模态叠加法的稳态动力学分析简介

基于模态叠加法的稳态动力学分析的思路是：先提取无阻尼系统的特征模态，通过变换使系统

解耦，得到一组用模态坐标表示的单自由度运动方程。求解各单自由度运动方程得到系统在模态坐

标下的稳态响应后，通过变换获得系统在物理坐标下的稳态响应，简要介绍如下。

对于多自由度系统，如果考虑粘性阻尼，则其受迫振动的微分方程为：

Mu??+Cu?+Ku=f（1）

(t)

设已解出系统的各阶固有频率为1，因为主振型的正

ω,,...,ω

1ω和各阶主振型为φ,φ,...,φn

2n2

交性，可以证明主振型是线性无关的。因此，对于n个自由度系统的任何振动形式，都可以表示为

这n个正交的主振型的线性组合，即存在常数1，使：

ξ,ξ,...,ξ

2n

u=

n

∑

ξφ（2）

ii

j=1

写成矩阵形式为：

u=ξφ（3）

上式就是展开定理，用模态叠加法求系统动力响应就是建立在展开定理的基础上。根据展开

定理，对方程（1）实行坐标变换，再用模态矩阵的转置

φ前乘方程的两边，得：

T

φTMφξ??+φTCφξ?+φTKφξ=φT

f

(t)

（4）

若系统为比例阻尼，可用正交条件使上述方程解耦，变为一系列相互独立的方程组：

Mξ??+ξ?+ξ=（5）

CKf

其中，M,C,K都是对角阵，它们的对角线元素分别为：

mi=φMφ

T

ii

ci2/,1,2,...,

=φTφ=ξωmω2==

C

(kmin)iiiiiiii

k=φTφ=ω2

iKm

iiii

广义力为：

fT

i=φ

i

f

(t)

这样，方程组（5）可以写为：

mckfin

iξ??+ξ?+ξ==1,2,...,（6）

iiiiii

这是n个相互独立的单自由度系统的运动方程，每一个方程都可以按单自由度系统的振动理论

去求解。从方程（6）中解得ξi后，再将其代入方程（2）求得广义坐标u的解。下面以简谐激励为

例说明。

若

f为简谐激励，即：

i

f=ωt（7）

j

ife

i0

设系统的稳态响应为：

ξjωt

i0

i=ξe（8）

将（8）代入方程（6），可以解得：

f

ξ=

i

ik?mω2+jωc

iii

（9）

在

ξ解出后，代入式（2），解得u。

i

上述即为用模态叠加法做动态响应分析的简要过程。

2.3有限元模型

本文中讨论了三种进气