一种对发动机性能进行评估的方法及系统与流程

本发明涉及发动机设计技术领域，特别是涉及一种对发动机性能进行评估的方法及系统。

背景技术：

当今，为了满足汽车用户对汽车动力性、经济性与舒适性的要求越来越高的需求，工程师对发动机采用了轻量化设计、增压直喷等多种性能提升技术，但是，在使得发动机的动力性能与经济性能得到大幅提升的同时，也对发动机自身的nvh(noisevibrationandharshness，噪声、振动与声振粗糙度)性能产生了较大的负面影响，这就迫使工程师在发动机的设计开发过程中必须对其nvh性能进行更为有效的评估和控制。

在发动机数字样机开发阶段，现有的发动机nvh性能的评估方法先对发动机各部件结构进行有限元模态分析，得到发动机各部件的模态振型，然后根据模态振型找出发动机各部件结构相对薄弱的区域(比如参数值不在理想范围内的区域)，技术人员会根据这些薄弱的环节进行针对性的结构优化。

但是，上述方案存在以下缺陷：仅从发动机固有结构本身角度对发动机结构进行初步的定性评估，不能对结构的振动与噪声水平进行量化的评估。也就是说，模态分析所找出的结构相对薄弱区域，实际上并不能确定该结构是否真正有必要修改优化，因为这种“薄弱”是相对而言，再强结构也有相对薄弱区域，对发动机结构本身属于薄弱区域并不意味着这个薄弱区域在实际应用中就会产生负面影响，评估结果根本不贴近实际应用，对于结构优化必要性的指导性较差。这样，如果仍然对一个就发动机结构本身而言属于薄弱区域但在实际应用中并不会产生负面影响的区域进行结构优化，这会对发动机开发成本的控制，设计周期的缩短以及设计质量风险的降低产生极为不利的影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种对发动机性能进行评估的方法及系统，以实现有利于控制发动机开发成本，缩短设计周期以及降低设计质量风险的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种对发动机性能进行评估的方法，该方法包括：

对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果；其中，所述发动机的有限元模型包括多个部件；

获取预设的模拟载荷参数，并利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各所述部件的振动水平相关参数；其中，所述模拟载荷参数包括燃气压力、凸轮轴轴承力及气门弹簧力；所述振动水平相关参数包括位移、速度及加速度；

根据各所述部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各所述部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对所述发动机的性能进行评估。

上述方法中，优选地，所述根据各所述部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各所述部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对所述发动机的性能进行评估，包括：

分别判断各所述部件的振动水平相关参数中各参数是否属于各自相应的理想范围；

当存在参数不属于其相应的理想范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对所述参数不属于其相应的理想范围的所述部件进行相适应的结构优化。

上述方法中，优选地，每个所述部件包括多个节点，所述利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各所述部件的振动水平相关参数，包括：

利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各节点的振动水平相关参数；

将每个所述部件中预设位置处的节点所对应的振动水平相关参数作为与其对应的振动水平相关参数。

上述方法中，优选地，在得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，还包括：

根据所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，确定所述发动机的有限元模型中发动机表面的振动水平相关参数；

利用所述发动机表面的振动水平相关参数，对所述发动机表面进行结构噪声处理，得到所述发动机表面的噪声分布云图，以便技术人员根据所述噪声分布云图对所述发动机表面的结构噪声辐射性能进行评估。

上述方法中，优选地，在得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，还包括：

利用所述有限元模型和所述有限元模型中各部件的振动水平相关参数，构建相应的边界元模型；

对所述边界元模型进行分析，确定距离所述发动机表面预设长度处的声压级；

当所述声压级不属于其相应的预设理想声压级范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对所述声压级不属于其相应的预设理想声压级范围的所述发动机表面进行相适应的结构优化。

本发明还提供了一种对发动机性能进行评估的系统，该系统包括：

模态分析单元，用于对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果；其中，所述发动机的有限元模型包括多个部件；

部件振动水平相关参数确定单元，用于获取预设的模拟载荷参数，并利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各所 述部件的振动水平相关参数；其中，所述模拟载荷参数包括燃气压力、凸轮轴轴承力及气门弹簧力；所述振动水平相关参数包括位移、速度及加速度；

评估单元，用于根据各所述部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各所述部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对所述发动机的性能进行评估。

上述系统中，优选地，所述评估单元包括：

判断子单元，用于分别判断各所述部件的振动水平相关参数中各参数是否属于各自相应的理想范围；

显示子单元，用于当存在参数不属于其相应的理想范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对所述参数不属于其相应的理想范围的所述部件进行相适应的结构优化。

上述系统中，优选地，每个所述部件包括多个节点，所述部件振动水平相关参数确定单元用于利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，具体用于：

利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各节点的振动水平相关参数；将每个所述部件中预设位置处的节点所对应的振动水平相关参数作为与其对应的振动水平相关参数。

上述系统中，优选地，还包括：

表面振动水平相关参数确定单元，用于在得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，根据所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，确定所述发动机的有限元模型中发动机表面的振动水平相关参数；

结构噪声处理单元，用于利用所述发动机表面的振动水平相关参数，对所述发动机表面进行结构噪声处理，得到所述发动机表面的噪声分布云图，以便技术人员根据所述噪声分布云图对所述发动机表面的结构噪声辐射性能进行评估。

上述系统中，优选地，还包括：

边界元模型构建单元，用于在得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，利用所述有限元模型和所述有限元模型中各部件的振动水平相关参数，构建相应的边界元模型；

声压级确定单元，用于对所述边界元模型进行分析，确定距离所述发动机表面预设长度处的声压级；

显示单元，用于当所述声压级不属于其相应的预设理想声压级范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对所述声压级不属于其相应的预设理想声压级范围的所述发动机表面进行相适应的结构优化。

以上本发明提供的一种对发动机性能进行评估的方法及系统中，先对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果，所述发动机的有限元模型包括多个部件；然后，获取预设的模拟载荷参数，并利用所述模拟载荷参数和所述模态分析结果对所述发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到所述发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，其中，所述模拟载荷参数包括燃气压力、凸轮轴轴承力及气门弹簧力；最后，根据各所述部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各所述部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对所述发动机的性能进行评估。

可见，以上本发明方案引入了模拟的实际应用中的模拟载荷参数，在此基础上得到的发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数能够真实准确地反映出发动机在实际载荷激励输入情况下的响应，相较现有技术，根据上述本发明的振动水平相关参数进行后续的评估操作，评估结果更贴近实际应用，进而有利于控制发动机开发成本，缩短设计周期以及降低设计质量风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种对发动机性能进行评估的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种对发动机性能进行评估的方法的另一流程图；

图3为本发明实施例提供的一种对发动机性能进行评估的方法的再一流程图；

图4本发明实施例提供的一种对发动机性能进行评估的系统的结构框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种对发动机性能进行评估的方法及系统，以实现有利于控制发动机开发成本，缩短设计周期以及降低设计质量风险的目的。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，示出了本发明实施例提供的一种对发动机性能进行评估的方法的流程图，该方法具体可以包括如下步骤：

步骤s100、对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果。

本发明实施例提供的对发动机性能进行评估的方法的执行主体为对发动机性能进行评估的系统，其主要是应用在发动机数字样机开发阶段，对发动机数字样机的nvh性能进行评估，其中，数字样机 (digitalprototype)是相对于物理样机而言的，指在计算机上表达的机械产品整机或子系统的数字化模型，它与真实物理产品之间具有1:1的比例和精确尺寸表达，其作用是用数字样机验证物理样机的功能和性能。物理样机：即指真实的机械产品。

本发明中，上述发动机的有限元模型包括多个部件，可以理解的是这里的部件是部件的模型，对于发动机的有限元模型而言，其中包括了很多模型，本发明在这里主要强调的是部件模型，这是因为在后续的评估过程中主要用到的是部件。参考图2，在具体实施过程中，对发动机主要结构部件进行有限元模态分析，主要结构部件可分成发动机总成部件和曲轴系部件，发动机总成部件主要包括主题部件、覆盖件、附件支架系统和变速箱等等，曲轴系部件主要包括曲轴、带轮、扭转减震器和飞轮等等。具体地，对所有零部件结构进行有限元网格模型划分，从单一部件到发动机装配模型逐一进行自由模态分析；对各个部件模型、整机装配模型和曲轴系装配模型进行模态缩减分析，将原本数十万自由度的有限元模型缩减到几千甚至几百的主自由度上，有效降低求解计算量，然后利用有限元求解器求解得到相应的模态分析结果，其中，模态分析结果主要包括质量矩阵、刚度矩阵与几何信息文件。

其中，有限元分析(fea，finiteelementanalysis)指利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，可参考现有技术。模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。

此外，模态分析结果还包括各部件的固有频率，可以根据各部件的固有频率对发动机性能进行初步定性的评估，评估规则为：单个部件或组合体结构的固有频率须避开发动机转速范围内自身的点火激励 频率，以及发动机上其他相关部件产生主要激励的频率，避免结构的共振产生。不过，由于发动机上零部件数量众多，零部件结构的共振与否不是绝对的能反映在人们对nvh性能优劣的主观感受上，换言之，结构产生共振不一定导致nvh问题，而结构的不共振也不一定不影响nvh问题，因此，仅仅根据固有频率进行评估是远远不够。基于此，将本发明的量化性的评估方案与根据固有频率进行初步定性评估结合，能够实现更佳的效果。

其中，固有频率也称为自然频率(naturalfrequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关(如质量、形状、材质等)，称为固有频率，其对应周期称为固有周期。

步骤s101、获取预设的模拟载荷参数，并利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数。

本发明中，结合发动机在实际应用中会涉及到的载荷参数，上述模拟载荷参数可以包括燃气压力、凸轮轴轴承力及气门弹簧力等，当然还可以包括活塞敲击力等参数，此处不做严格限定；各参数的具体取值可以由专业的发动机动力学软件搭建发动机的多体动力学分析模型模拟求得；然后利用模拟载荷参数和步骤s100中求得的模态分析结果构建动力学计算模型并进行动力学计算分析，得到动力学计算结果即包括位移、速度及加速度等的振动水平相关参数，当然，还可以包括其它比如力、主轴承座力、扭矩等振动水平相关参数，此处不严格限定；可以理解的是，在上述构建动力学计算模型的过程中，还需要输入一些控制相关数据，比如轴承耦合参数、阻尼参数、连杆参数、计算周期及结果控制信息等。

其中，多体动力学是研究多体系统(一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学，可参照现有技术。

本发明中，关于上述振动水平相关参数的求取过程，具体地：发动机的额有限元模型中的每个部件包括多个节点，即每个部件由多个 节点(即网格节点)组成，基于此，首先，利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各节点的振动水平相关参数；然后，将每个部件中预设位置处的节点所对应的振动水平相关参数作为与其对应的振动水平相关参数，比如，对于发动机中的总成悬置安装点而言，选定与被安装在一起的两个或多个结构均由接触的位置处的节点来代表该总成悬置安装点的振动水平相关参数。

步骤s102、根据各部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对发动机的性能进行评估。

在通过动力学计算分析得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数后，可以予以nvh相关特性的进一步量化评估，具体地，分别判断各部件的振动水平相关参数中各参数是否属于各自相应的理想范围；当存在参数不属于其相应的理想范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对参数不属于其相应的理想范围的部件进行相适应的结构优化，比如：发动机总成悬置安装点的振动加速度需要满足整车nvh性能的要求，发动机主要附件的振动加速度需要满足各自附件安装要求。当然，当所有参数均属于其相应的理想范围时，也是需要输出并显示相应的评估结果，以便技术人员了解评估结果。其中，对于某一部件中各参数的理想范围，可以根据实际需求进行相适应的设置，本发明在此不做严格限定。

本发明上述是直接利用振动水平相关参数进行评估，如上，振动水平相关参数可以包括位移、速度及加速度等，然后通过将各参数与各自相对应的理想范围进行比对，进而实现评估。这里，我们可以从噪声的角度来进行评估，以便技术人员更直观、人性化地理解发动机性能，具体地：首先，根据发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，确定发动机的有限元模型中发动机表面的振动水平相关参数；然后，利用发动机表面的振动水平相关参数，对发动机表面进行结构噪声处理，得到发动机表面的噪声分布云图，以便技术人员能够 根据噪声分布云图直观地对发动机表面的结构噪声辐射性能进行评估。

综上，本发明中，在常规有限元模态分析的基础上，进一步采用了发动机多体动力学分析，引入了对发动机实际载荷激励影响的考虑，得到的发动机振动结果具有量化评估的价值，同时可以与物理样机的实验结果起到相互印证的作用，对于设计优化的方向更具有准确的指导作用；从计算结果中还能提供给整车分析中所需要的载荷输入等信息，帮整车设计工作的提前有效进行。

可见，以上本发明方案引入了模拟的实际应用中的模拟载荷参数，在此基础上得到的发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数能够真实准确地反映出发动机在实际载荷激励输入情况下的响应，相较现有技术，根据上述本发明的振动水平相关参数进行后续的评估操作，评估结果更贴近实际应用，进而有利于控制发动机开发成本，缩短设计周期以及降低设计质量风险。

基于上述本发明实施例提供的技术方案，在本发明另一实施例中，在得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，还可以采用了边界元分析技术手段对噪声辐射进行分析，并且可以将计算结果关联人耳的主观听觉特性进行更好的量化评价，对于运用边界元分析手段进行的结构表面辐射分析结果，同样可以直接与实验结果进行相互印证，参考图3，具体可以包括如下步骤：

步骤s300、利用有限元模型和有限元模型中各部件的振动水平相关参数，构建相应的边界元模型。

具体地，在实际应用中，步骤s300中涉及的有限元模型为发动机的总成部件对应的有限元模型。

其中，边界元法(bem，boundaryelementmethod)是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件，关于分析方法本身具体可以 参照现有技术。

步骤s301、对边界元模型进行分析，确定距离发动机表面预设长度处的声压级。

在具体实施过程中，可以对边界元模型进行分析，确定距离发动机表面1米处的声压级，并且可以关联人耳的主观听觉特性进行量化评估，距离发动机1米处的声压级要满足发动机噪声指标要求。当然，还可以确定发动机表面处的声压级，进而进行相应的评估。

步骤s302、判断距离发动机表面预设长度处的声压级是否属于其相应的预设理想声压级范围，当声压级不属于其相应的预设理想声压级范围时，进入步骤s303，否则进入步骤s304。

对于预设理想声压级范围，可根据实际情况进行相适应的设定，本发明在此不做限定。

步骤s303、显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对声压级不属于其相应的预设理想声压级范围的发动机表面进行相适应的结构优化；

步骤s304、显示相应的属于提示信息。

综上，本发明以上实施例中，本发明结合了有限元模态分析、多体动力学分析与边界元分析的多元化仿真分析技术手段便可以在发动机数字样机开发阶段对其进行有效的nvh性能量化分析评价，除了包括常规模态分析方法对振动的定性评价，还可以对发动机主要附件安装点的振动大小，发动机表面结构的振动水平，以及噪声辐射水平进行量化评估，可以为设计开发提供更为明确的优化指导，并且仿真结果的可信度也得到了后期物理样机实验结果的印证。这对于发动机开发成本的控制，设计周期的缩短，设计质量风险的降低有着极为积极的作用。

基于上述本发明实施例提供的对发动机性能进行评估的方法，本发明实施例还提供了一种对发动机性能进行评估的系统，参考图4，该系统400可以包括如下内容：

模态分析单元401，用于对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果；其中，发动机的有限元模型包括多个部件；

部件振动水平相关参数确定单元402，用于获取预设的模拟载荷参数，并利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数；其中，模拟载荷参数包括燃气压力、凸轮轴轴承力及气门弹簧力；振动水平相关参数包括位移、速度及加速度；

评估单元403，用于根据各部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对发动机的性能进行评估。

本发明中，上述评估单元403具体可以包括判断子单元和显示子单元，其中：

判断子单元，用于分别判断各部件的振动水平相关参数中各参数是否属于各自相应的理想范围；

显示子单元，用于当存在参数不属于其相应的理想范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对参数不属于其相应的理想范围的部件进行相适应的结构优化。

本发明中，每个部件包括多个节点，部件振动水平相关参数确定单元402用于利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，具体可以用于：利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各节点的振动水平相关参数；将每个部件中预设位置处的节点所对应的振动水平相关参数作为与其对应的振动水平相关参数。

本发明中，上述系统400具体还可以包括节点振动水平相关参数确定单元和结构噪声处理单元，其中：

表面振动水平相关参数确定单元，用于在得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，根据发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数，确定发动机的有限元模型中发动机表面的 振动水平相关参数；

结构噪声处理单元，用于利用发动机表面的振动水平相关参数，对发动机表面进行结构噪声处理，得到发动机表面的噪声分布云图，以便技术人员根据噪声分布云图对发动机表面的结构噪声辐射性能进行评估。

此外，系统400还可以包括以下单元：

边界元模型构建单元，用于在得到发动机的有限元模型中各部件的振动水平相关参数之后，利用有限元模型和有限元模型中各部件的振动水平相关参数，构建相应的边界元模型；

声压级确定单元，用于对边界元模型进行分析，确定距离发动机表面预设长度处的声压级；

显示单元，用于当声压级不属于其相应的预设理想声压级范围时，显示相应的不属于提示信息，以便技术人员对声压级不属于其相应的预设理想声压级范围的发动机表面进行相适应的结构优化。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种对发动机性能进行评估的方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。