基于流固耦合有限元法的汽车发动机液力悬置动力学分析

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1、第3期(总第200期)车用发动机No．3(SerialNo．200)2012年6月VEHICLEENGINEJun．2012基于流固耦合有限元法的汽车发动机液力悬置动力学分析徐志军‘，刘福水2，于增信(1．北京联合大学机电学院，北京100020；2，北京理工大学，北京100081)摘要：介绍了车裁发动机液力悬置流固耦合的有限元分析法，模拟了液力悬置的动态响应。通过瞬态时域响应的模拟结果，计算了液力悬置的动态性能。在计算过程中使用ALE方法进行坐标变换，有效解决了流体力学和结构动力学在坐标系上的不一致问题。计算过程无须估算或测试液力悬置的流体阻尼，无须测量橡胶主簧的

2、体积刚度，可以得到液力悬置在对域内的动态响应，仿真结果与试验测试结果吻各较好。关键词：汽车发动机；液力悬置；有限元法；流固耦合；动力学Dol：10．3969／j．issn．100l一2222．2012．03．017中图分类号：U463．33文献标志码：B文章编号：1001-2222(2012)03—007804合适的发动机悬置是减小发动机振动和噪声向作用力，对这时的液力悬置进行动力学分析就要研车身传递的关键，理想的发动机悬置应在不同的频究流固耦合力学。率和振幅下有不同的隔振性能。在发动机低频大振本研究采用基于流固耦合的ALE方法。使用幅的振动范围内，悬置应有足够大

3、的动刚度和较大Ansystm程序，利用流固耦合有限元方法模拟液力的阻尼；在中高频范围内，悬置应具有较大的动刚度悬置动态响应特性。计算时考虑了橡胶主簧的非线以降低振动振幅，同时具有较小的阻尼以降低振动性和液体流动的紊流，仿真计算的精度较集总质量和噪声向车内传递。法有较大提高。液力悬置是目前较为流行的发动机支承型式。1流固耦合有限元理论和ALE算法发动机液力悬置是在传统橡胶悬置中设有上下渡腔，中间由带惯性通道或节流孔的隔板隔开。液体流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生在上下液腔之间流动，振动能量被消耗，从1=『IJ实现衰成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用

4、减振动的目的⋯。设计液压悬置时，一般首先进行下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互仿真计算来确定液力悬置的结构参数和液力参数，作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相如惯性通道艮度、横截面积、液体黏度等心]。介质之间的交互作用；变形固体在流体载荷作用下本研究的主要目的是为开发高性能的发动机悬会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流置进行仿真计算。一般对液力悬置的仿真研究都是场，从而改变流体载荷的分布和大小[3]。采用集总质量法，即在计算时引入了各种假没：橡胶发动机振动给液力悬置施加激励。液力悬置主簧无质量、液体在惯性通道内形成振动液柱、￡下橡胶主簧的

5、变形使液体的压力变化并使液体在上液室的体积柔度是常数等，需要大量的试验和经验下液室之问流动。同时，液体流动和压力变化又才能确定液体流动阻尼和橡胶主簧体积刚度。影响橡胶主簧，改变了橡胶主簧初始约束条件。随着计算机技术的发展，数值方法已成为求解为准确分析液压悬置动态特性，这种相互作用必工程问题的主要工具。有限元法在求解三维立体结须耦合计算。构振动问题E有很大优势。有两种方法可以计算耦合问题：一类是液体液力悬置充人液体后，在外界激励的作用下，橡作为模拟固体，采用直接耦合法；另一种是固体和胶的位移和变形对上液室内的液体施加载荷，引起液体动力学方程分别计算，统一处理。前者具

6、有上液室内液体压力的变化，同时橡胶的底面受到反较高的计算效率，较小的费用，但要符合“流体不收稿日期：2012—04—17；修回日期：2012—06—25基金项目：北京市教委科技发展项目(KM201011417008)作者简介：徐志军(1966一)，男，博十，主要研究向汽车振动与噪声控制；jdtzhijun@buu．edu．ca。2012年6月徐志军，等：基于流固耦合有限元法的汽车发动机液力悬置动力学分析流动，小扰动”的假设。后者的计算较复杂和繁体用零位移约束来代替。图2示出了流固耦合的有琐，但可以计算大流量、大变形的流固耦合问限元网格模型。该模型由115218个节

7、点组成，包题[3]。液体在惯性通道内流动的流量较大，橡胶括9679．个固体单元(橡胶)和101831个流动单元主簧变形较大，因此，用第二种耦合方法模拟液力(fluidl42)。流固耦合表面有耦合标记。悬置的动态特性。使用第二种耦合方法，遇到的最大困难是两相界面的协调问题。为了解决不同坐标系的困难，文献[4]中提出的用于流场计算的ALE方法被用于流固耦合分析[s-s]，以处理界面协调及自由面的问题：ALE坐标系可以任意速度在空间运动，若其速度为0，它即为Euler系，若其速度等于质点速度，它即为拉氏(Lagrange)系，因而ALE坐标系提供了两种坐标系的统一描述。

8、ALE方法