? 聲學(xué)材料通常是指具有吸聲性能或者隔聲性能的材料。
? 吸聲是指空氣中的聲波在通過或入射到介質(zhì)界面損失聲能的過程。聲波在入射到介質(zhì)界面時(shí),一部分聲能會(huì)被吸收,一部分聲能會(huì)反射回來,吸收聲功率與入射聲功率的比值為吸聲系數(shù)。材料吸聲性能的好壞通常用吸聲系數(shù)來評(píng)價(jià)。
? 隔聲是指空氣中的聲波從一側(cè)入射到介質(zhì)表面,激起介質(zhì)結(jié)構(gòu)振動(dòng),結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲到介質(zhì)的另一面。衡量材料隔聲特性通常采用聲傳遞損失STL(Sound Transmission Loss)。聲傳遞損失的定義是入射聲功率Win與透射聲功率Wout之比的對(duì)數(shù)值。
? 材料的吸隔聲性能測(cè)試,通常按照國(guó)標(biāo)技術(shù)要求,可用阻抗管測(cè)試方法。中流漢泰公司擁有一套SW 系列雙傳聲器阻抗管,該阻抗管基于傳遞函數(shù)法設(shè)計(jì),符合GB/T18696.2-2002 及ISO 10534-2:1998 標(biāo)準(zhǔn),能夠一次測(cè)量出整個(gè)測(cè)試頻段的吸聲系數(shù)和聲阻抗率。我公司已經(jīng)為多位企業(yè)客戶測(cè)試過多種吸隔聲材料,歡迎咨詢。
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),它擔(dān)負(fù)著將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運(yùn)動(dòng),且通常我們所說的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就是曲軸的轉(zhuǎn)速。作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件。它承受連桿傳來的力,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作。
曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用,使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強(qiáng)度和剛度,軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。為減小曲軸質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力,曲軸軸頸往往作成中空的。
在每個(gè)軸頸表面上都開有油孔,以便將機(jī)油引入或引出,用以潤(rùn)滑軸頸表面。為減少應(yīng)力集中,主軸頸、曲柄銷與曲柄臂的連接處都采用過渡圓弧連接。曲軸平衡重(也稱配重)的作用是為了平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩,有時(shí)也可平衡往復(fù)慣性力及其力矩。當(dāng)這些力和力矩自身達(dá)到平衡時(shí),平衡重還可用來減輕主軸承的負(fù)荷。平衡重的數(shù)目、尺寸和安置位置要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)、氣缸排列形式及曲軸形狀等因素來考慮。平衡重一般與曲軸鑄造或鍛造成一體,大功率柴油機(jī)平衡重與曲軸分開制造,然后用螺栓連接在一起。曲軸會(huì)因機(jī)油不清潔以及軸頸的受力不均勻造成連桿大頭與軸頸接觸面的磨損,若機(jī)油中有顆粒較大的堅(jiān)硬雜質(zhì),也存在劃傷軸頸表面的危險(xiǎn)。如果磨損嚴(yán)重,很可能會(huì)影響活塞上下運(yùn)動(dòng)的沖程長(zhǎng)短,降低燃燒效率,自然也會(huì)較小動(dòng)力輸出。
此外曲軸還可能因?yàn)闈?rùn)滑不足或機(jī)油過稀,造成軸頸表面的燒傷,嚴(yán)重情況下會(huì)影響活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此一定要用合適黏度的潤(rùn)滑油,且要保證機(jī)油的清潔度。
曲軸模擬分析
在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中,曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)往往成為曲軸斷裂的主要原因。作為傳遞交變載荷的連桿也承受著很大的作用力,容易造成疲勞破壞。要設(shè)計(jì)一款曲軸,必須考慮其振動(dòng)、噪聲等特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響,因此對(duì)曲軸的模態(tài)分析卻是必不可少的。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性,每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、振型,這些參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)取得。
曲軸在工作過程中不斷的受到復(fù)雜的交變的沖擊載荷激勵(lì),隨之產(chǎn)生了橫向、縱向以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng),當(dāng)某一激勵(lì)力的頻率和曲軸其中一階固有頻率相同或者相近時(shí),產(chǎn)生軸系的共振,這足以導(dǎo)致曲軸的疲勞斷裂。對(duì)曲軸的模態(tài)分析是對(duì)曲軸的振動(dòng)特性分析,為振動(dòng)故障及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。自由模態(tài)分析反應(yīng)了曲軸剛體的固有特性,而約束模態(tài)分析更能夠模擬曲軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中所表現(xiàn)的固有特性。
發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸系指曲軸、連桿、活塞以及飛輪所組成的動(dòng)力系統(tǒng)。常見的曲軸系振動(dòng)包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng),以下針對(duì)這三方面對(duì)曲軸系的振動(dòng)原因及危害。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)
扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系的一種特殊的振動(dòng)形式,其本質(zhì)是由于軸系并非絕對(duì)剛體,而存在彈性。所以在以平均速度進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)過程中,各個(gè)彈性部件間就會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生大小不同、相位不同的瞬時(shí)速度的起伏,形成了沿旋轉(zhuǎn)的方向來回的扭動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)的曲軸系作為一個(gè)彈性體并具有集中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,本身存在著一系列的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸瞬時(shí)氣體壓力及有效的曲柄半徑不斷變化著,表示瞬時(shí)扭矩氣體壓力及有效曲柄半徑乘積在每個(gè)周期隨之變化。瞬時(shí)扭矩的變化產(chǎn)生兩種結(jié)果。首先,由于作用在曲軸上的瞬時(shí)扭矩在平均扭矩值上下波動(dòng),使得整個(gè)曲軸以及曲軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)在平均轉(zhuǎn)速值上下波動(dòng),該現(xiàn)象稱為“滾振”;其次,由于各個(gè)氣缸的發(fā)火間隔角使曲軸各個(gè)曲拐的扭矩相對(duì)變化,造成曲軸系各質(zhì)量間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),該現(xiàn)象稱為“扭轉(zhuǎn)振動(dòng)”,簡(jiǎn)稱“扭振”。發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸是輸出動(dòng)力的主要部件,它與從動(dòng)部件相連接,組成扭轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)。因發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的間歇周期性,導(dǎo)致作用在曲軸上的為一變化周期性的扭矩,這可能觸發(fā)軸系之扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系上的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),是曲軸系回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中,在平均扭變量中疊加的一類扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象。特別是在較大功率發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中曲軸系固有頻率很低,往往會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi),通過一些較強(qiáng)激勵(lì)諧次激發(fā)所引起的共振而形成過大扭轉(zhuǎn)的共振現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)扭振附加應(yīng)力。較激烈的曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能產(chǎn)生以下后果:
1:曲軸系上某些軸段及聯(lián)接件(聯(lián)軸節(jié)、減振器、飛輪和凸輪軸等),含發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自身,因太大的扭振附加應(yīng)力從而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞破損,以致斷裂。
2:帶減速齒輪箱的系統(tǒng)因扭振導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)來回沖的沖擊形成“齒叫”,較為嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪的敲壞及增大了噪聲。
3:強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)將破壞發(fā)動(dòng)機(jī)固有的平衡性從而引起機(jī)組振動(dòng),也有耦合出現(xiàn)曲軸系縱向振動(dòng)的可能性,使發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的推力軸承上受到激勵(lì)力而引起載體的振動(dòng)。
曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由于在有的情況下不像機(jī)組振動(dòng)能直接為人們所感觸到,具有一定的隱蔽性,因此其危害性也較大,在歷史上由于扭振而發(fā)生的事故相當(dāng)多,因此歷來為人們所重視并加以研究。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的縱向振動(dòng)
由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系是一個(gè)金屬的彈性系統(tǒng),除了會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外,還可能產(chǎn)生軸向的縱向振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在曲拐上除了作用有交變的扭矩外,還受到交變的法向作用力,而曲拐在受到法向力時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向的變形,這就形成軸向的激勵(lì),軸系在外力作用下,沿軸線方向出現(xiàn)周期性的彈性變形現(xiàn)象,定義成軸系的縱向振動(dòng),也稱為軸向振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)縱向振動(dòng)系統(tǒng)通??醋鳛橥ㄟ^幾個(gè)集中質(zhì)量組合而成并通過質(zhì)量為零的縱向彈簧所聯(lián)接的當(dāng)量系統(tǒng),此當(dāng)量系統(tǒng)包含很多縱向振動(dòng)的固有頻率。只有當(dāng)某一個(gè)激勵(lì)頻率及推進(jìn)軸系的某一階縱振固有頻率一樣或相近時(shí),就出現(xiàn)了軸系縱向振動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)不將外部的驅(qū)動(dòng)反作用力及附件干擾力的作用納入考慮時(shí),曲軸出現(xiàn)縱向振動(dòng)主要有兩方面因素。第一,氣體壓力及往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的徑向簡(jiǎn)諧力導(dǎo)致曲柄舒張,出現(xiàn)彎曲—縱向相互耦合的振動(dòng);第二,曲柄的扭轉(zhuǎn)徑向分量即當(dāng)曲軸扭轉(zhuǎn)時(shí)因曲柄臂的彎曲變形及曲柄銷和主軸頸中心線的軸向收縮,即扭轉(zhuǎn)—縱向相互耦合的振動(dòng) 。
曲軸系出現(xiàn)縱向振動(dòng)的后果有:
1:向加速度太大會(huì)導(dǎo)致缸體縱向的振動(dòng)加劇,和曲軸相配合的零件產(chǎn)生沖擊噪聲,使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓級(jí)升高。
2:曲軸縱向竄動(dòng),使活塞偏磨,并導(dǎo)致活塞側(cè)擊敲缸。
3:當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的縱向振動(dòng)的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐可能出現(xiàn)開擋上的較大變形,可能使曲拐的圓角處出現(xiàn)較大彎曲應(yīng)力,使曲軸斷裂,軸段上承受著過大拉壓交變應(yīng)力的情況下,也將導(dǎo)致軸段疲勞破損。
4:曲軸系之縱向振動(dòng)受限制于軸系上的止推軸承,導(dǎo)致了止推軸承上受到很大的縱向力,其后果是增加止推軸承負(fù)荷,可能使止推軸承受到損壞。
5:發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的縱向振動(dòng)太大并超過曲軸在曲軸箱里的工作間隙的情況下,可能會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不正常從而引起事故。以往曲軸系縱向振動(dòng)的自振頻率一般比其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的自振頻率要高,故不容易在工作轉(zhuǎn)速范圍出現(xiàn)強(qiáng)激勵(lì)的諧次的共振工況。所以由于縱向振動(dòng)引起的緊急情況較少,因而未做深入的研究和重視。然而隨著提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求,要發(fā)展具有長(zhǎng)沖程的發(fā)動(dòng)機(jī),這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐的縱向剛度大大降低,不但使曲軸系縱向自振頻率下降,由法向力所致的縱向激勵(lì)也大大增加,增大了在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振的概率和共振的烈度,因而近年來對(duì)曲軸系的縱向振動(dòng)加深河加快了研究進(jìn)度,提高了對(duì)縱向振動(dòng)的重視。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的橫向振動(dòng)
在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系上,由于受到切向和法向的交變作用力,最后將形成曲軸系支承梁的垂直和水平方向的振動(dòng)。由垂直及水平方向的振動(dòng)將組成軸系的回旋振動(dòng),因此有時(shí)稱軸系的橫向振動(dòng)為回旋振動(dòng)。出現(xiàn)彎曲振動(dòng)主要有三個(gè)方面因素:首先,偏心導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡離心力和曲軸軸系零部件因?yàn)橹圃旃に囁斐傻馁|(zhì)量偏心可能產(chǎn)生軸系出現(xiàn)不平衡離心力。此力的旋轉(zhuǎn)角速度以及旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)軸一樣。當(dāng)軸系的轉(zhuǎn)速及一次彎曲的臨界轉(zhuǎn)速一致時(shí),將發(fā)生一次共振,后果很嚴(yán)重。其次,作用于曲軸的氣體激振力的頻率和曲軸固有頻率一致時(shí),將會(huì)引起共振,成為使曲軸彎曲而被破壞的重要因素。最后,軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及縱向振動(dòng)同樣可能引起彎曲振動(dòng),其耦合源一般來自變速箱及傳動(dòng)軸在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸部分,為了支承交大的切向及法向負(fù)荷,通常在每一曲拐的左右均配有主軸承,因而曲軸的橫向直梁形振動(dòng)其自振頻率很高,除極高諧次外,不會(huì)發(fā)生梁共振,而高諧的激勵(lì)值一般很小,不足以引起由于橫向振動(dòng)的動(dòng)態(tài)放大而導(dǎo)致的損壞。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中對(duì)曲軸系的橫向振動(dòng),尚未被重視。目前對(duì)曲軸系的橫向振動(dòng)的研究,主要著眼于中間軸部分。
發(fā)生橫向振動(dòng)的后果:
1:在曲軸自由端產(chǎn)生過大彎曲應(yīng)力,從而產(chǎn)生彎曲疲勞,導(dǎo)致自由端因彎曲疲勞而破壞折斷。
2:軸段彎曲應(yīng)力增加以及發(fā)生疲勞破損都可能由橫向振動(dòng)引起。
3:加劇支承軸承的負(fù)荷,導(dǎo)致軸承油膜破裂,出現(xiàn)干摩擦從而發(fā)熱導(dǎo)致破壞。引起載體振動(dòng)。
以上分析都是基于對(duì)曲軸系各種振動(dòng)方式進(jìn)行單獨(dú)分析的結(jié)果,由于曲軸系本身是一個(gè)統(tǒng)一體,以上各種振動(dòng)都是同時(shí)存在的,并且它們之間也必然會(huì)有相互的耦合影響。將各種振動(dòng)形式分別看待只是一種簡(jiǎn)化的假定,必然會(huì)有誤差的存在,因此當(dāng)前人們已著眼于基于曲軸系是一個(gè)整體的耦合振動(dòng)研究,為了將曲軸系數(shù)理模型化,提出了多種簡(jiǎn)化、假定的耦合振動(dòng)模型,以致將整個(gè)曲軸系做有限元分割,而計(jì)算其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)然這樣做的計(jì)算工作量大,并且數(shù)理模型的合理程度也將會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的精度。此外,如何合理的應(yīng)用在前人分別研究扭振、縱振等過程中所取得的大量豐富的經(jīng)驗(yàn)資料等,都是有待研究的問題,因?yàn)橥饨鐥l件,假定的正確與否都會(huì)直接影響到計(jì)算分析的結(jié)果。
以上都是發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生的一些主要振動(dòng)方式,它們的響應(yīng)特性是人們?cè)O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)研究的主要課題。但是在實(shí)踐中,發(fā)動(dòng)機(jī)中零部件的局部振動(dòng),往往是使人們感到頭痛的一個(gè)大問題。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完全有可能其主要振動(dòng)特性是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的,其主要零部件的強(qiáng)度也都可靠,不會(huì)損壞。
發(fā)動(dòng)機(jī)上所有的油、水、氣管,各配件及其支架等等,從其性質(zhì)來講都是質(zhì)量線彈性系統(tǒng),都存在模態(tài)振型及相應(yīng)的固有頻率,當(dāng)受到外激勵(lì)時(shí)都會(huì)發(fā)生響應(yīng),尤其當(dāng)發(fā)生共振響應(yīng)時(shí),其振動(dòng)將會(huì)達(dá)到破壞性的結(jié)果。這些零部件的激勵(lì)來源來自發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng),如果發(fā)動(dòng)機(jī)完全沒有振動(dòng),當(dāng)然是理想的情況下,也就不會(huì)發(fā)生局部振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)離心力和力矩,一次及二次的往復(fù)慣性力及力矩等強(qiáng)激勵(lì)是有可能采用專門的平衡措消除的。然而發(fā)動(dòng)機(jī)的傾覆力矩很難準(zhǔn)確的克服,此外,實(shí)際往復(fù)慣性力,在四諧以上因其量級(jí)較小可忽略,但并不表示它不存在,加上計(jì)算的理想化以及各種假設(shè)引起的誤差等,包括發(fā)動(dòng)機(jī)加工過程的許用誤差范圍,也使回轉(zhuǎn)部件留下剩余不平衡力等,以上因素都是實(shí)際的激勵(lì)因素的組成部分,具有廣闊頻域的范圍,使得以理想化方式的計(jì)算分析,并不可能除去所有可能發(fā)生的振動(dòng)響應(yīng),使得局部振動(dòng)問題無從下手,以至防不勝防,因此一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)必須經(jīng)過實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際考驗(yàn),在去除各種可能發(fā)生的較嚴(yán)重的局部振動(dòng)后,才會(huì)成為性能較好的發(fā)動(dòng)機(jī)。
由以上分析知,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,振動(dòng)是必然存在的,為此,可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)分為兩類,第一類為具有危害性和破壞性的振動(dòng)。這是在設(shè)計(jì)、制造發(fā)動(dòng)機(jī)中必須予以重視及專門研究予以克服或者消減的;第二類為無危害的振動(dòng),此類振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)比較小,即使長(zhǎng)期的振動(dòng)也不容易出現(xiàn)零部件破壞導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能可靠地正常的工作,包括分析計(jì)算時(shí)略去的其影響的高諧激勵(lì)響應(yīng)和通過計(jì)算分析,處于許永振動(dòng)值以及強(qiáng)度值范圍以內(nèi)的振動(dòng)內(nèi)容。
完整的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、全面的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)方法。
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力源。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接影響汽車整體的性能。中潤(rùn)漢泰公司多年從事車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)服務(wù),在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 增壓器匹配 ? 進(jìn)排氣口聲學(xué) ? 功率/扭矩/油耗 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)/噪聲 | |
缸體、缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 模態(tài) ? 熱應(yīng)力 ? 預(yù)緊力/接觸 ? 合成應(yīng)力/變形 | |
曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 強(qiáng)度/疲勞 ? 彎振/扭振/縱振 ? 模態(tài)/低階固有頻率 ? 油膜厚度、軸心軌跡 | |
連桿優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 變形 ? 失穩(wěn) ? 輕質(zhì)化 ? 強(qiáng)度/應(yīng)力分析 | |
活塞優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 側(cè)向力/變形 ? 活塞應(yīng)力/應(yīng)變/溫度 ? 活塞環(huán)動(dòng)力學(xué) ? 活塞環(huán)密封 | |
冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) ? 水泵匹配 ? 水套優(yōu)化 ? 缸墊優(yōu)化 ? 鼻梁區(qū)優(yōu)化 | |
進(jìn)排氣歧管設(shè)計(jì) ? 長(zhǎng)度/走向 ? 聲學(xué)/阻力匹配 ? 氧傳感器布置 ? 整體式三元催化 | |
進(jìn)排氣道及燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì) ? 阻力優(yōu)化 ? 渦流/滾流匹配 ? 直噴噴嘴與流動(dòng)匹配 ? 缸內(nèi)燃燒、低污染設(shè)計(jì) | |
缸蓋/缸體逆向設(shè)計(jì) ? 高精度掃描 ? 硅膠模具制作 ? 點(diǎn)云處理/曲面重構(gòu) |
安全、清潔、節(jié)能是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的三大主題。汽車安全分主動(dòng)安全(防止事故)和被動(dòng)安全(一旦發(fā)生事故對(duì)乘員的保護(hù))。被動(dòng)安全的重要性已經(jīng)成為行業(yè)和用戶的共識(shí)。在汽車投入市場(chǎng)之前,廠家對(duì)整車進(jìn)行碰撞試驗(yàn),其目的就是為了提高汽車被動(dòng)安全性能。但是在產(chǎn)品開發(fā)中,如果廠家僅依靠試驗(yàn)研究進(jìn)行汽車安全設(shè)計(jì),保證碰撞檢測(cè)合格,那么必將面臨巨大的研發(fā)費(fèi)用和時(shí)間。應(yīng)用ANSYS LS-DYNA高度非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析功能可高效仿真各型汽車以任意的速度和角度與任意的物體發(fā)生碰撞的整個(gè)歷程,能分析在發(fā)生碰撞或緊急剎車時(shí)安全帶系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)情況,從而優(yōu)化安全保險(xiǎn)裝置的設(shè)計(jì),提高汽車的安全性能。
ANSYS LS-DYNA程序具備模擬汽車碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)破損和乘員安全性分析的全部功能,其內(nèi)置安全帶、傳感器等單元,以及氣囊和假人模型。
乘客安全保護(hù)模擬
整車碰撞性能分析
剎車設(shè)計(jì)
剎車系統(tǒng)由操控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和助力系統(tǒng)組成,它是汽車上最主要的安全裝置之一。其整體性能對(duì)汽車的操作穩(wěn)定性及人員的安全性都有著直接的影響。剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)主要集中在制動(dòng)器、調(diào)整臂、真空助力器、閥類控制及保護(hù)等部件,在CAE分析中通常需要關(guān)注這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形分析、振動(dòng)和噪聲分析、疲勞壽命分析、溫度場(chǎng)分析、熱應(yīng)力分析等。
制動(dòng)尖叫仿真分析
失穩(wěn)模態(tài)振型
制動(dòng)散熱性能仿真分析(F1賽車制動(dòng)器)
制動(dòng)器溫度場(chǎng)分布
制動(dòng)器空氣流場(chǎng)分布
輪軸設(shè)計(jì)
輪軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件,它主要負(fù)責(zé)將動(dòng)力從差速器傳送到汽車車輪,以驅(qū)動(dòng)車體運(yùn)動(dòng)。輪軸不僅要傳遞來自發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩,還要承受車輪上作用的垂直力,側(cè)向力以及牽引力和制動(dòng)力所形成的縱向力,屬于易損部件之一。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、剛強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求直接影響傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
目前,CAE在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在輪軸的彎曲強(qiáng)度校核、斷裂分析、疲勞分析及結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析等方面。
車軸變形及強(qiáng)度云圖
汽車輪軸靜態(tài)強(qiáng)度校核
汽車輪軸的第一第二階模態(tài)分析
氣動(dòng)性能分析是從空氣動(dòng)力學(xué)角度分析汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和操作穩(wěn)定性,各大汽車廠商都致力于降低空氣阻力、改善氣流升力。這也是風(fēng)洞技術(shù)最早引入汽車設(shè)計(jì)的研究方向,更是CFD數(shù)值模擬方法在汽車設(shè)計(jì)中最成熟的應(yīng)用方向?! ?/p>
ANSYS CFD數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比,不再局限于測(cè)量有限個(gè)點(diǎn)處的空氣流動(dòng)屬性,而是直接獲得整車附近完整空間的流動(dòng)屬性,從而可以讓設(shè)計(jì)者獲知一些復(fù)雜的空氣流動(dòng)現(xiàn)象,為氣動(dòng)減阻、降噪等問題提供幫助,而這正是傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)無法詳細(xì)獲知的。
車身附近的流線圖
車身表面的壓力分布云圖及車身附近的湍流動(dòng)能等值面圖
空氣動(dòng)力學(xué)
汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究汽車在流場(chǎng)中所受到的以阻力為主的包括升力、側(cè)向力的三個(gè)氣動(dòng)力及其相應(yīng)的力矩(即六分力)的作用。汽車的空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性都有著直接的影響。
空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用案例:Volvo XC60空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化
基于數(shù)十年在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的工程仿真經(jīng)驗(yàn)和軟件使用的最佳實(shí)踐,ANSYS開發(fā)了一套用于空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)仿真流程。這套標(biāo)準(zhǔn)流程構(gòu)建在ANSYS Workbench平臺(tái)下,其主要內(nèi)容包括:
1.在ANSYS Fluent中進(jìn)行前處理網(wǎng)格生成及流場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)的最佳實(shí)踐
2.使用HPC高性能計(jì)算功能來縮短仿真計(jì)算的時(shí)間
3.在原車型的基礎(chǔ)上,使用RBF Morph進(jìn)行汽車外形的參數(shù)化改變
4.使用DesignXplorer以整車的氣動(dòng)阻力降低作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)外形的變化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析
Volvo公司使用ANSYS的這套標(biāo)準(zhǔn)仿真流程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)XC60車型的空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化仿真?! ?/p>
Volvo公司針對(duì)XC60原車外形設(shè)定了4處可以進(jìn)行參數(shù)化變動(dòng)的變量,并在變量的設(shè)計(jì)空間內(nèi)定義了50個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行DOE分析,最終通過優(yōu)化算法得到了在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的最優(yōu)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方案,這套仿真流程有著極強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。
使用RBF Morph,實(shí)現(xiàn)對(duì)原車外形的參數(shù)化變形,共定義了4個(gè)參數(shù)化變量。
左:車尾兩側(cè)角度; 右:車頂后段下傾角度
左:座艙后部角度; 右:前端擾流板角度
使用DesignXplorer,定義設(shè)計(jì)空間,對(duì)4個(gè)參數(shù)化變量進(jìn)行尋優(yōu)。
原車型受到的氣動(dòng)阻力為388.01 N,經(jīng)過優(yōu)化分析后的氣動(dòng)阻力為372.30N,降低了約4%的氣動(dòng)阻力。
原車型
優(yōu)化后
氣動(dòng)噪聲
汽車的噪聲水平是其重要性能參數(shù)之一,是影響車內(nèi)舒適性的主要因素。氣動(dòng)噪聲是由于氣流流過車體表面引起的氣流壓力擾動(dòng)產(chǎn)生,它起因于氣體內(nèi)部的脈動(dòng)質(zhì)量源(單極子噪聲源)、作用力的空間梯度(偶極子噪聲源)和應(yīng)力張量的變化(四極子噪聲源)。
氣動(dòng)噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用案例:克萊斯勒外后視鏡降噪仿真
克萊斯勒使用ANSYS Fluent的CAA模型,對(duì)比了兩款不同的后視鏡造型在側(cè)窗打開時(shí)駕駛員和乘客的左右耳感受到的氣動(dòng)噪聲。
改進(jìn)的外后視鏡設(shè)計(jì)相比原始設(shè)計(jì)帶來了13分貝的噪聲值降低,提升了駕駛舒適性。
計(jì)算模型
運(yùn)行速度60mph、偏航角5度時(shí)的截面壓力云圖和速度云圖
使用不同湍流模型計(jì)算的噪聲結(jié)果
后視鏡原始設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)噪聲結(jié)果
空調(diào)系統(tǒng)是汽車不可缺少的部分,好的空調(diào)系統(tǒng)不僅噪音低,制冷/制熱效果好,而且燃油消耗低,除霜除霧效果好。通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析,可以獲得空調(diào)風(fēng)道的空氣分配情況、風(fēng)道的阻力特性、各出風(fēng)口的空氣流速等,為優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過對(duì)風(fēng)擋和側(cè)窗進(jìn)行除霜除霧分析,可以得到當(dāng)前設(shè)計(jì)的除霜除霧性能,為改進(jìn)出風(fēng)口大小及角度提高除霜除霧性能提供依據(jù)。通過對(duì)乘員艙內(nèi)的CFD分析,可以得到艙內(nèi)的流動(dòng)、溫度分布情況,再進(jìn)一步進(jìn)行乘員的舒適性分析。ANSYS CFD 系列產(chǎn)品在空調(diào)系統(tǒng)方面有豐富的解決方案 。
空調(diào)子系統(tǒng)及零部件
汽車空調(diào)已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置,承擔(dān)著汽車乘客艙溫度、空氣調(diào)節(jié)功能,通過制冷、制熱、通風(fēng)換氣、除濕、除塵等功能維持舒適的車內(nèi)環(huán)境并保證汽車可視性(除霜/除霧)的要求。汽車乘客艙內(nèi)熱負(fù)荷復(fù)雜,包括來自太陽(yáng)、人體、地面、發(fā)動(dòng)機(jī)及附件等主要熱源。汽車空調(diào)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)不高,系統(tǒng)布置空間受限,產(chǎn)品開發(fā)周期短,使得汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大難度且要求高效的設(shè)計(jì)手段和工具。
汽車空調(diào)仿真分析的應(yīng)用案例:汽車空調(diào)溫度線性度分析及優(yōu)化
利用ANSYS CFD實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)溫度線性度仿真參數(shù)化的分析優(yōu)化,快速獲得了空調(diào)系統(tǒng)溫度線性度最佳的設(shè)計(jì)狀態(tài)。利用ANSYS優(yōu)化仿真分析平臺(tái)可以在短時(shí)間內(nèi)完成,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
幾何模型及參數(shù)化參數(shù)(紅色位置凸起的高度)
兩個(gè)設(shè)計(jì)狀態(tài)下的速度場(chǎng)
仿真分析獲得的不同設(shè)計(jì)狀態(tài)的溫差及壓差結(jié)果
除霜除霧
乘客安全性一直是汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn),影響汽車安全性的一個(gè)重要因素就是駕駛員是否有一個(gè)清晰開闊的視野。在雨雪天,空氣中水汽很大,車窗結(jié)霜起霧現(xiàn)象很普遍,嚴(yán)重遮擋駕駛員的視線,對(duì)安全行車十分不利。
除霜除霧性能作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制檢測(cè)的一項(xiàng)指標(biāo),在GB11555-2009中,對(duì)汽車風(fēng)窗玻璃除霜除霧系統(tǒng)性能有明確的規(guī)定。要求在一定時(shí)間內(nèi),必須清除覆蓋在前風(fēng)窗玻璃的某些區(qū)域內(nèi)、外表面上的霧或霜,使其恢復(fù)清晰視野。除霜裝置的工作原理是空氣通過汽車空調(diào)升溫后經(jīng)除霜風(fēng)道在前風(fēng)窗玻璃內(nèi)側(cè)形成噴射氣流,使內(nèi)表面的霧滴揮發(fā),并通過前風(fēng)窗玻璃傳熱融化前風(fēng)窗外表面的霜。
除霜除霧仿真分析的應(yīng)用案例:汽車空調(diào)除霜分析案例
德國(guó)偉世通采用 Fluent對(duì)某車型進(jìn)行了瞬態(tài)除霜仿真,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,符合程度較好。本除霜瞬態(tài)分析總時(shí)間20分鐘,時(shí)間步長(zhǎng)2.5s。瞬態(tài)分析隨時(shí)間變化的結(jié)果要求具備高效的可視化及定量化后處理工具,ANSYS CFD-Post可以快速完成瞬態(tài)結(jié)果的后處理。
除霜分析結(jié)果
15分鐘時(shí)試驗(yàn)結(jié)果
除霜除霧仿真分析的應(yīng)用案例:汽車空調(diào)除霧分析案例
Mindware Engineering使用 Fluent對(duì)某車型進(jìn)行了瞬態(tài)除霧仿真,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)除霧系統(tǒng)帶來了幫助。
液膜厚度云圖
水蒸氣源項(xiàng)云圖
乘員艙熱舒適性
汽車乘客艙內(nèi)熱負(fù)荷復(fù)雜,包括來自太陽(yáng)、人體、地面、發(fā)動(dòng)機(jī)及附件等9大主要熱源。給人體熱舒適性設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。同時(shí)影響人體舒適性的因素較多,包括:溫度、濕度、風(fēng)速、穿衣情況、平均輻射溫度、新鮮空氣置換量、艙內(nèi)噪聲、污染物濃度等,這些因素導(dǎo)致人體舒適性評(píng)價(jià)較為困難。人體熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括PMV、PPD、MAA等,而比較流行的局部熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)通常采用Wyon提出的Equivalent Homogenous Temperature(EHT)指標(biāo)來評(píng)價(jià)。
乘員艙內(nèi)人體熱舒適性仿真分析的應(yīng)用案例:乘員艙內(nèi)人體熱舒適性評(píng)價(jià)案例
為了降低汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗,GM、Delphi與伯克利大學(xué)加州分校合作,通過汽車空調(diào)定點(diǎn)對(duì)人體局部進(jìn)行加熱/制冷的方法來實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。本案例利用Fluent實(shí)現(xiàn)乘員艙內(nèi)流動(dòng)和熱的分析,并考慮了太陽(yáng)輻射的作用,采用特殊的人體熱舒適性評(píng)價(jià)的方法并與傳統(tǒng)EHT評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比,得到較為一致的評(píng)價(jià)結(jié)果。
幾何與網(wǎng)格
新評(píng)價(jià)方法的人體表面溫度與EHT的比較
儀表盤太陽(yáng)輻射通量
溫度表征顏色的速度圖
流線圖
全面的整車熱流體模擬技術(shù)、系統(tǒng)的整車熱流體管理設(shè)計(jì)技術(shù)。
熱流體系統(tǒng)分布在車輛從發(fā)動(dòng)機(jī)到空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)方面。這些系統(tǒng)雖然看起來各不相同,卻具有相似的流體力學(xué)、熱力學(xué)背景,設(shè)計(jì)方法也非常相似。
運(yùn)用CAE手段進(jìn)行整車熱流體系統(tǒng)優(yōu)化是當(dāng)今最先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法。
動(dòng)力系統(tǒng)熱管理優(yōu)化 ? 水泵、油泵、風(fēng)扇選型 ? 冷卻水套、缸墊優(yōu)化,流量匹配 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)艙3D熱模擬及熱風(fēng)路徑優(yōu)化 ? 混合動(dòng)力、電動(dòng)汽車電池、ISG熱分析 ? 中冷器、油冷器、散熱器、冷凝器匹配 ? 暖機(jī)、高溫、超載、極限負(fù)荷控制優(yōu)化 | |
整車外部流動(dòng)和聲學(xué)優(yōu)化 ? 初期外型阻力選型優(yōu)化 ? 整車外部流動(dòng)和聲學(xué)優(yōu)化 ? 前后擾流器、后視鏡聲學(xué)優(yōu)化 | |
乘員艙熱舒適性優(yōu)化 ? 熱舒適性綜合評(píng)價(jià) ? 空調(diào)管路系統(tǒng)布置 ? 管路流量分配、溫升率 ?風(fēng)溫、濕度、風(fēng)速、輻射優(yōu)化 | |
乘員艙除霜除霧系統(tǒng)優(yōu)化 ? 除霜管路優(yōu)化 ? 除霜隔柵、風(fēng)口優(yōu)化 ? A、B區(qū)除霜除霧效果分析 | |
整車進(jìn)排氣管路優(yōu)化 ? 進(jìn)排氣管路系統(tǒng)布置 ? 進(jìn)排氣聲學(xué)部件優(yōu)化 ? 進(jìn)排氣阻力、模態(tài)優(yōu)化 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道優(yōu)化 ? 直噴式噴嘴流動(dòng)與進(jìn)氣匹配 ? 進(jìn)排氣總管、歧管阻力/聲學(xué) 優(yōu)化 ? 柴油機(jī)、汽油機(jī)進(jìn)、排氣道優(yōu)化 | |
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及污染物模擬 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒設(shè)計(jì) ? 汽油機(jī)、柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒模擬 ? 各種標(biāo)號(hào)汽柴油燃燒機(jī)理分析 ? SCR/EGR/3元催化系統(tǒng)優(yōu)化 | |
供油/剎車系統(tǒng)優(yōu)化 ? 噴油MAP優(yōu)化 ? 剎車盤、鼓冷卻分析 ? 制動(dòng)系統(tǒng)作動(dòng)、控制分析 ? 高壓油泵、管路、噴嘴匹配、控制 | |
整車熱流體管理系統(tǒng)試驗(yàn) ? 進(jìn)排氣、冷卻液、機(jī)油溫度、壓力測(cè)量 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)艙、乘員艙風(fēng)溫、風(fēng)速、聲學(xué)測(cè)量 |