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RecurDyn HONDA发动机仿真实例

项目业主:HONDA

课题:活塞构件应力分析与拍击噪声分析和优化

本课题研究的发动机数据如下图标所示:

 

使用软件模组:RecurDyn MFBD套包

RecurDyn MFBD套包包含的模组及功能:

 

1、发动机汽缸壳体有限元模型

 

2、发动机活塞有限元模型

一、发动机活塞的应力分析

通过使用RecurDynMFBD技术,对发动机的汽缸外壳和活塞等构件进行了活塞运动周期内的动态强度分析。RecurDyn MFBD求解器通过迭代动力学计算结果和有限元计算结果可以在同一求解器内高效解算构件运动状态下的应力分布变化结果。发动机之类复杂运动系统的关键部件如曲轴、活塞、曲柄连杆等可使用RecurDyn便捷的求出动力学特征并方便的抓取部件应力峰值的位置和时间。

 

3发动机活塞应力分布的最大值及其位置

通过抓取应力最大区域的网格节点,在RecurDyn中得到变转速下的应力变化曲线和四冲程循环过程内的应力变化曲线,并与实验结果进行比对:

 

4试验测量和RecurDyn仿真模型数据抓取点

 

55000rpm时测量点的应力变化曲线计算值与测量值比对

 

6、连续转速变化情况下测量点的应力变化曲线和测量值比对

小结:RecurDyn MFBD求解器可以方便的得到发动机整个运动周期内的构件应力变化情况,且运算结果精度较高。

二、活塞拍击噪声源分析

活塞在运动过程中在曲柄连杆的作用下会产生拍击噪声,一般研究认为是活塞运动中侧推力造成了这样的振动拍击噪声。在使用RecurDyn进行仿真分析计算出活塞与汽缸之间运动轨迹和加速度变化曲线之后,在RecurDyn的指导下精确合理的布置传感器,HONDA成功设计了如图所示的测量系统,用于记录活塞的加速度变化,并通过活塞与汽缸之间的间隙变化情况来测量活塞运动的实际轨迹。

 

7HONDA使用1个加速度传感器和4个间隙传感器组成的测量系统

 

8经过测量得到四冲程内活塞加速度变化谱线

 

9通过RecurDyn仿真得到的间隙变化轨迹与实际测量的活塞运动轨迹

 

10不同转速下传感器采集的活塞加速度数值与RecurDyn计算数值的对比

三、降噪优化设计验证

为了减少噪声,HONDA进行了多种尝试,分别通过修改活塞销间隙和活塞裙座外形设计寻找减少振动的方法,而RecurDyn在进行优化设计中发挥了重要的验证作用。

首先,HONDA通过使用RecurDyn设置活塞销向推力侧的偏置值来考察角加速度的变化,从而寻找降低振动的趋势,如下图:

 

11、活塞角加速度

对比活塞销原设计和沿推力方向偏移1mm后的角加速度变化,可以发现偏置活塞销可以有效的降低活塞角加速度峰值从而可以降低活塞与汽缸壁之间的拍击噪声。于是HONDA随机进行试验验证并于仿真结果进行对比。

 

12、活塞销偏移0时各个转速下角加速度的RecurDyn计算和实验值对比

 

13、活塞销偏移1mm时各个转速下角加速度的RecurDyn计算和实验值对比

由实验验证可知,活塞销一定程度的偏移可以有效的降低低速和高速段的振动程度,在绝大多数转速范围内一定程度的降低噪声。

第二、HONDA研究了活塞裙座形状设计对噪声的影响。

14HONDA对活塞裙座设计了三个方案

针对这三个方案,首先使用RecurDyn MFBD求解器进行了不同ATDC角度下裙座应力分布的研究,得到了三种设计在结构强度上的不同影响:

15三种设计在结构强度上的不同影响

通过上图可见TypeA的设计在强度上最为有利。

然后又使用之前的实验系统,对三种设计方案的侧推力加速度进行了仿真和验证实验,结果如下图所示:

16、三种设计方案的侧推力加速度进行了仿真和验证实验结果

如上图所示,方案C的噪声会是最高的,而方案A和方案B各有优势,方案A在低转速下的噪声水平会比较理想,但转速超过5500rpm时噪声将略高于方案B,但方案B在3000rpm至5000rpm上的噪声水平均会略高于方案A。结合强度分析结果的考量,可以认为方案A为最佳设计。