达索系统SIMULIA获奖论文 | 基于Abaqus的隔热罩复合材料振动分析

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作者| 张志明、陈华、李超、黄凤琴

摘要

发动机隔热罩是发动机重要的声源之一，尤其高频噪声、增压器同步噪声等，隔热罩也是重要的传递路径，因此对隔热罩本身的NVH设计也尤为重要。隔热罩为复合材料，材料属性分析尤为重要。本文基于Abaqus的复合材料属性模块，通过仿真、试验对标来拟合隔热罩的复合材料属性，结合NVH实测结果，定义模态、刚度优化目标，进行结构优化，仿真表明隔热罩优化后，噪声改善明显，有效验证该分析方法的准确性、有效性。

关键词| 振动响应（SSD），复合材料，辐射噪声

引言：

隔热罩是发动机中重要的薄壁件之一，也是较大的辐射噪声源，因此隔热罩的结构优化，尤其针对噪声的结构优化就显得尤为重要。隔热罩通常为三明治结构，复合材料的属性准确性也至关重要。

行业中关于复合材料有些深入的探讨，本文基于仿真、试验对标，拟合出较为准确的复合材料属性，并基于此进行结构振动响应分析，结合优化，为隔热罩改进提供了参考。基于此建立了一套隔热罩属性获取、振动响应、联合优化、噪声计算的能力。

分析简介

本文以某增压机型的隔热罩为例，建立有限元模型，考虑螺连接关系等，通过振动响应分析，以白噪声振动作为输入，进行复合材料的振动响应计算。

分析流程

目前发动机隔热罩的NVH分析中，主要流程如下：

有限元分析：首先进行隔热罩有限元分析，通过模态的仿真、试验对标，得到隔热罩的复合材料属性。

振动响应分析：然后利用修正的材料属性，进行强迫振动响应分析。

辐射噪声分析：基于振动结果，利用边界元方法，进行辐射噪声的预测分析。

分析流程如图 1所示：

图1 隔热罩NVH分析流程

隔热罩有限元分析

主要进行模态分析及复合材料属性的修正。

2.1

模型建立

仿真模型包括隔热罩及筒体部分，本文主要研究隔热罩本身的材料属性及其特性，筒体仅作为载体。网格划分，1~2mm左右网格，局部细化，定义螺栓rigid连接等。

约束条件：排气隔热罩螺栓定位位移约束，使其具有一定刚度但比完全自由度约束具有一定扰度。

图2 隔热罩有限元模型

2.2

材料属性

材料属性包括杨氏模量、密度、泊松比；

排气隔热罩采用三明治结构，基层与约束层使用了SUS304不锈钢；

阻尼层材料属性无法获取，需要运用ISight优化软件在限定材料参数范围内不断改变材料参数；如图3所示。

通过进行模态分析与模态试验对比从而确定两者误差最小的一次计算的阻尼材料参数。

图3 复合材料属性

2.3

联合lsight与Abaqus的材料属性修正

基于初版仿真、试验结果，进行isight与Abauqs的联合仿真，拟合隔热罩的复合材料属性。

Isight中需要调整的参数为密度、杨氏模量和泊松比，前8阶自由模态频率为目标函数，并且设置约束条件为各阶模态上下限误差在15%以内，各设置如图4所示。

图4 Isiht软件设置

2.4

模态分析

在不施加随机载荷激励的非约束状态下进行结构模态分析，并与试验模态频率和振型进行对比。仿真和试验对标，通常考虑到1000Hz以内，部分模态结果如图5所示。

图5 隔热罩模态结果图（249Hz）

2.5

隔热罩模态试验

试验目的：通过脉冲锤击激振激起排气隔热罩的结构振动，测定排气隔热罩的结构频率响应函数，进行识别排气隔热罩的模态参数，如固有频率和振型等。

状态及测点布置：自由模态试验为自由悬吊下的自由状态。为了尽可能明确显示试验频段内所有模态以及得到较好的各阶模态振型，在排气隔热罩表面尽可能多以及均匀的布置测点（激励点），排气隔热罩共布置有94个激励点。

试验方法：采用多点依次激励，单点三向加速度响应测取频响函数的方法。通过LMS 测试模块选择合适的响应点。在同一测点，测取3次频响函数作平均，遇到不合理信号丢弃重测，如双击信号和过载信号等。同时考虑3次信号的一致性，剔除相关性低的数据。

图6 隔热罩模态试验示意图

模态振动试验结果如下图所示：

图7 模态测试结果

2.6

基于lsight/Abaqus的联合修正

基于Isiht仿真、试验结果对标，优化后的材料属性参数，关注模态范围满足精度要求。修正的对比精度见表格1所示，精度满足工程需要。

表格 1

模态序号	试验模态频率（Hz）	分析模态频率（Hz）	误差（%）
1	217.94	227.42	4.3
3	238.49	248.99	0.4
4	254.59	268.41	5.4
5	339.23	327.01	-3.6
6	389.22	382.40	-1.8