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摘 要：本文以瞬态动力学理论知识为基础，对某塑料进气歧管进行瞬态动力学分析；仿真分析中，采用发动机全速全负荷工况下的本体时域激励，对进气歧管进行瞬态动力学分析，计算进气歧管谐振腔与节流阀体表面的振动加速度。分析结果表明仿真结果与试验结果基本一致；仿真结果为发动机典型零部件的NVH分析提供了技术支持与理论依据，也为后续振动疲劳分析提供相应的数据支持。
关键词：进气歧管、 NVH、振动响应、瞬态动力学
【分类号】：TK402
1.前言
进气歧管的主要功能是为发动机气缸输送新鲜空气或少量油气混合气，是整车进气系统中是非常重要的部件。近几年来，随着汽车发动机零部件开发技术的快速发展，传统的铸铝进气歧管逐渐被塑料进气歧管所代替，塑料进气歧管在重量、生产成本、提高整机性能等方面与铸铝进气歧管相比有明显的优势。由于材料的差异性，塑料进气歧管结构刚度比铸铝进气歧管要低许多，在发动机运行过程中，加上受热、振动等因素的影响，同一台发动机使用塑料歧管比铝歧管NVH特性方面要差一些，而NVH特性已引起用户和行业的关注，因此，采用有限元分析方法对进气歧管结构的振动与响应进行分析就尤为重要了。
本文基于ABAQUS软件对进气歧管进行模态分析与瞬态动力学分析。首先针对进气歧管所关注的频率范围0-1000Hz进行模态分析，该模态结果（特征频率、特性向量）在瞬态动力学分析中被提取；其次是对进气歧管进行瞬态动力学分析，在分析中所加载的激励为发动机额定转速全负荷工况下的本体激励，仿真结果与试验测试数据非常吻合，为后续发动机典型零部件的NVH分析与振动疲劳分析提供理论依据与数据支持。
2.理论基础与数值方法
模态瞬态动力学分析用来研究时域载荷作用下的结构动力学响应问题[1]。
基于模态疊加法的瞬态动力学分析的思路是：模态瞬态动力学分析应用模态叠加法求解线性系统的瞬态响应问题，在求解响应之前必须先提取足够数量系统的模态数据（特征频率、特征向量），通过变换使系统解耦，将物理模型投影到特征模态坐标系下，可以得到一组互相独立的单自由度系统运动方程。
（1）
其中，ξ——临界阻尼比（阻尼与临界阻尼之比）；
q ——模态坐标下的运动变量；
ω ——无阻尼振动的频率；
f ——对应模态作用下的模态力，
Δf——Δt时间内的模态力增量。
方程（1）的解可由微分方程的特解和齐次解两部分组成，将这两部分解叠加可得自由度动力学方程解的一般形式：
（2）
其中， a ij 与b ij 是常数，i， j =1，2。
将模态坐标下的动力学方程对时间积分，得到模态坐标的动力学响应。然后，通过模态叠加得到系统的物理坐标响应[1]。
其中φα 、εα 和σα分别表示模态α 的模态振型、模态应变、模态应力。
3.仿真模型与参数
3.1 有限元模型
模型如图1所示，包括进气歧管、节流阀体总成、进气歧管支架、缸盖、缸体、冷却模块等。
3.2 材料属性
分析模型中进气歧管材料为PA6+GF30的弹性模量受温度高低的影响较大，考虑到塑料进气歧管所处的工作环境，对该值做了相应的修正。
3.3 边界条件
分析模型中所用的时域激励数据，为发动机正全速全负荷时的本体激励，如图2所示，图中横坐标为时间，纵坐标为加速度。
4 仿真结果与分析
4.1 模态分析
对进气歧管所关注的频率范围0-1000Hz进行模态分析，仿真结果与试验结果对比如下表1所示，该模态仿真结果（特征频率、特性向量）在瞬态动力学分析中将被提取使用。
从表2分析，在关注频率范围内，仿真分析结果与试验结果非常吻合。
4.2 模态瞬态动力学分析
模态瞬态动力学分析应用模态叠加法求解模型的瞬态响应，分析过程依赖于系统特征模态的子集合，选取的模态必须保证能够充分描述系统的动态响应特性[1]。针对该进气歧管分析模型，我们关注0-1000Hz范围内的进气歧管的振动响应。从表2中，模拟结果与试验结果吻合，那么应用模态叠加方法得到的结果也是准确的。
4.2.1 进气歧管谐振腔表面仿真结果
如图3（左）为进气歧管谐振腔上传感器布置图，图4为谐振腔表面瞬态响应分析模拟结果。
4.2.2 节流阀体总成表面仿真结果
如上图3（右）节流阀体上传感器布置图，图5为节流阀体表面瞬态响应分析模拟结果。
从图4与图5分析，仿真分析数据与试验数据分别在X/Y/Z三个方向比较，模拟值与试验值都较为吻合。另外，部分频率点的振动加速度数值有所差异，与传感器布置角度以及激励数据采集的位置等因素有关。
5 总结与展望
本文基于有限元分析软件对进气歧管谐振腔与节流阀体进行瞬态动力学分析，计算其表面振动加速度值，分析结论如下：
1）、根据计算结果，仿真模拟的进气歧管谐振腔与节流阀体表面振动加速度值与试验测试结果基本一致。
2）、 利用该分析方法，为发动机典型零部件的NVH分析提供一定的技术支持与理论依据。
3）、采用该分析方法，为后续进一步开展零部件的振动疲劳分析提供相应的数据支持。
参考文献
[1] 张文元. ABAQUS动力学有限元分析指南 中国图书出版社， 2005
[2] 许文本，焦群英. 机械振动与模态分析基础 机械工业出版社， 1998.8
[3] Michele Battistoni， Giulio Pispola；” Dependence of NVH Performance of Plastic Air Intake Manifolds on the Structural Design”，SAE2006010705
关键词：进气歧管、 NVH、振动响应、瞬态动力学
【分类号】：TK402
1.前言
进气歧管的主要功能是为发动机气缸输送新鲜空气或少量油气混合气，是整车进气系统中是非常重要的部件。近几年来，随着汽车发动机零部件开发技术的快速发展，传统的铸铝进气歧管逐渐被塑料进气歧管所代替，塑料进气歧管在重量、生产成本、提高整机性能等方面与铸铝进气歧管相比有明显的优势。由于材料的差异性，塑料进气歧管结构刚度比铸铝进气歧管要低许多，在发动机运行过程中，加上受热、振动等因素的影响，同一台发动机使用塑料歧管比铝歧管NVH特性方面要差一些，而NVH特性已引起用户和行业的关注，因此，采用有限元分析方法对进气歧管结构的振动与响应进行分析就尤为重要了。
本文基于ABAQUS软件对进气歧管进行模态分析与瞬态动力学分析。首先针对进气歧管所关注的频率范围0-1000Hz进行模态分析，该模态结果（特征频率、特性向量）在瞬态动力学分析中被提取；其次是对进气歧管进行瞬态动力学分析，在分析中所加载的激励为发动机额定转速全负荷工况下的本体激励，仿真结果与试验测试数据非常吻合，为后续发动机典型零部件的NVH分析与振动疲劳分析提供理论依据与数据支持。
2.理论基础与数值方法
模态瞬态动力学分析用来研究时域载荷作用下的结构动力学响应问题[1]。
基于模态疊加法的瞬态动力学分析的思路是：模态瞬态动力学分析应用模态叠加法求解线性系统的瞬态响应问题，在求解响应之前必须先提取足够数量系统的模态数据（特征频率、特征向量），通过变换使系统解耦，将物理模型投影到特征模态坐标系下，可以得到一组互相独立的单自由度系统运动方程。
（1）
其中，ξ——临界阻尼比（阻尼与临界阻尼之比）；
q ——模态坐标下的运动变量；
ω ——无阻尼振动的频率；
f ——对应模态作用下的模态力，
Δf——Δt时间内的模态力增量。
方程（1）的解可由微分方程的特解和齐次解两部分组成，将这两部分解叠加可得自由度动力学方程解的一般形式：
（2）
其中， a ij 与b ij 是常数，i， j =1，2。
将模态坐标下的动力学方程对时间积分，得到模态坐标的动力学响应。然后，通过模态叠加得到系统的物理坐标响应[1]。
其中φα 、εα 和σα分别表示模态α 的模态振型、模态应变、模态应力。
3.仿真模型与参数
3.1 有限元模型
模型如图1所示，包括进气歧管、节流阀体总成、进气歧管支架、缸盖、缸体、冷却模块等。
3.2 材料属性
分析模型中进气歧管材料为PA6+GF30的弹性模量受温度高低的影响较大，考虑到塑料进气歧管所处的工作环境，对该值做了相应的修正。
3.3 边界条件
分析模型中所用的时域激励数据，为发动机正全速全负荷时的本体激励，如图2所示，图中横坐标为时间，纵坐标为加速度。
4 仿真结果与分析
4.1 模态分析
对进气歧管所关注的频率范围0-1000Hz进行模态分析，仿真结果与试验结果对比如下表1所示，该模态仿真结果（特征频率、特性向量）在瞬态动力学分析中将被提取使用。
从表2分析，在关注频率范围内，仿真分析结果与试验结果非常吻合。
4.2 模态瞬态动力学分析
模态瞬态动力学分析应用模态叠加法求解模型的瞬态响应，分析过程依赖于系统特征模态的子集合，选取的模态必须保证能够充分描述系统的动态响应特性[1]。针对该进气歧管分析模型，我们关注0-1000Hz范围内的进气歧管的振动响应。从表2中，模拟结果与试验结果吻合，那么应用模态叠加方法得到的结果也是准确的。
4.2.1 进气歧管谐振腔表面仿真结果
如图3（左）为进气歧管谐振腔上传感器布置图，图4为谐振腔表面瞬态响应分析模拟结果。
4.2.2 节流阀体总成表面仿真结果
如上图3（右）节流阀体上传感器布置图，图5为节流阀体表面瞬态响应分析模拟结果。
从图4与图5分析，仿真分析数据与试验数据分别在X/Y/Z三个方向比较，模拟值与试验值都较为吻合。另外，部分频率点的振动加速度数值有所差异，与传感器布置角度以及激励数据采集的位置等因素有关。
5 总结与展望
本文基于有限元分析软件对进气歧管谐振腔与节流阀体进行瞬态动力学分析，计算其表面振动加速度值，分析结论如下：
1）、根据计算结果，仿真模拟的进气歧管谐振腔与节流阀体表面振动加速度值与试验测试结果基本一致。
2）、 利用该分析方法，为发动机典型零部件的NVH分析提供一定的技术支持与理论依据。
3）、采用该分析方法，为后续进一步开展零部件的振动疲劳分析提供相应的数据支持。
参考文献
[1] 张文元. ABAQUS动力学有限元分析指南 中国图书出版社， 2005
[2] 许文本，焦群英. 机械振动与模态分析基础 机械工业出版社， 1998.8
[3] Michele Battistoni， Giulio Pispola；” Dependence of NVH Performance of Plastic Air Intake Manifolds on the Structural Design”，SAE2006010705