整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统及方法，包括求解设置模块、计算模块、显示模块和结果输出模块；求解设置模块用于设置发动机基本参数、发动机测试缸压和分析模式；计算模块包括时域计算和频域计算；时域计算是基于发动机基本参数和发动机测试缸压，并结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和气体力矩计算模型计算出时域激励；频域计算是结合时域分析结果和分析模式，通过快速傅立叶变换将时域激励转化为频域激励，然后提取相关阶次频率对应的激励幅值；并通过显示模型进行图像输出，以及利用结果输出模块输出激励幅值和相位。本发明能够针对特定的怠速、加速工况求解激励，且计算效率高，需求参数模型较简单。
【专利说明】
整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明属于汽车整车NVH技术，具体涉及一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 整车NVH性能研究是目前汽车工程界重点研究领域之一，而发动机激励和路面激 励又是整车振动和噪声的主要激励源。当汽车行驶在平坦路面或怠速运转时，只有发动机 本身是激励源，因此由发动机激励引起的整车NVH问题一直都是国内外主机厂和高校学者 重点研究方向。在发动机工作中，准确说是活塞在做往复上下运动和燃烧过程中，产生了附 加力和扭矩，它们通过动力总成悬置系统激发汽车底盘振动，由此产生整车车内的振动和 噪声。因此，在整车开发前期可以预测和分析由发动机激励引起的整车振动噪声显得尤为 重要。
[0003] 目前，国内主机厂主要是通过在整车CAE模型悬置主/被动侧加载实测振动激励， 由此分析车内振动噪声响应。但是，该方法对激励的需求十分苛刻，往往不能做到在整车项 目开展前期就通过CAE仿真分析手段进行预测。此外，由于激励是来源于发动机主/被动侧， 不能分析悬置刚度和安装位置对整车NVH性能的影响，从而导致不能全面分析问题产生的 根源。所以从"源一路径一响应"分析整车NVH性能，就需要在整车CAE环境进行分析实现路 径优化，故需一个发动机激励求解软件平台系统进行激励计算。
[0004] 当前发动机激励求解软件较少，其中以AVL Excite功能比较完善，应用较广。尽管 AVL Excite可以求解精确的发动机激励，其主要还是用于分析发动机曲轴本身的振动NVH 性能，很少用于整车NVH发动机激励计算。此外，AVL Excite需要精确的曲轴有限元模型和 详细的发动机基本参数，需要消耗大量的分析时间;整车怠速、加速分析需要对激励本身进 行快速阶次分析，用于分析产生整车NVH问题的阶次原因，而AVL Excite还不能满足这样的 需求。而且AVL Excite作为一款商业软件平台，主要应用于发动机本体振动分析，所以对整 车NVH性能分析所需的发动机激励求解效率不够高。
[0005] 因此，有必要开发一种新的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统及方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统及方法，以克 服现有商业软件存在的效率低、需求参数模型复杂、不能针对特定的怠速、加速工况求解激 励的缺点。
[0007] 本发明所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，包括：
[0008] 求解设置模块，用于用户设置发动机参数和分析模式，该发动机参数包括发动机 基本参数和发动机测试缸压；
[0009] 计算模块，包括对发动机激励的时域计算和频域计算;所述时域计算是基于所述 发动机基本参数和发动机测试缸压，并结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和气体力 矩计算模型计算出时域激励，即时域上的惯性力、惯性力矩和气体力矩激励;所述频域计算 是结合时域分析结果和分析模式，通过快速傅立叶变换将时域激励转化为频域激励，然后 提取相关阶次频率对应的激励幅值；
[0010]显示模块，以图形化的形式显示所述计算模块所计算出的各类激励结果，包括时 域激励、频域激励和加速激励阶次分析；
[0011] 结果输出模块，以表格的形式将发动机的频域激励输出显示，包括激励的幅值和 相位。
[0012] 所述惯性力计算模型为：
[0013] EFi2 = HVIrecXr c〇2[cos29+cos2(9 + 180° )+cos2(9 + 180° )+cos29] = -4Mrec^r ω 2cos29；
[0014] 其中，Ft2为二级往复惯性力，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，λ表示曲柄长 度的一半与连杆长度比值，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度， r表示曲柄长度 的一半。
[0015] 所述惯性力矩计算模型为：
[0016] ETi = 2MreCr2 ω 2sin29 ；
[0017] 其中，Ti表示发动机惯性力矩，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，r表示曲柄 长度的一半，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度。
[0018] 所述气体力矩计算模型为：
[0021] 其中，Tg表示发动机气体力矩，Fg表示气体对活塞的压力，r表示曲柄长度的一半，Θ 为当前时刻曲轴转动角度，λ表示曲柄长度的一半与连杆长度比值，Pg表示发动机测试缸 压，D表示活塞直径。
[0022] 所述求解设置模块、显示模块和结果输出模块均具有用户界面。
[0023] 本发明所述的一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，包括以下步骤：
[0024] (1)求解设置：
[0025] 设置发动机参数和分析模式，该发动机参数包括发动机基本参数和发动机测试缸 压，所述发动机基本参数包括怠速转速、活塞直径、曲柄长度、连杆长度、活塞质量、连杆质 量，所述分析模式包括怠速分析和加速分析；
[0026] (2)求解：
[0027]读取发动机基本参数和发动机测试缸压，结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模 型和气体力矩计算模型，计算出时域激励;判断分析模式，若为怠速分析，则通过快速傅立 叶变换将时域激励转化为频域激励，并给出发动机各个阶次激励结果;若为加速分析，首先 通过快速傅立叶变换将加速过程各转速的时域激励转为频域激励，得到加速过程的各个阶 次激励结果，通过阶次分析得到产生加速风险的问题阶次，然后输出该阶次下对应的加速 频域激励；
[0028] (3)显示输出：
[0029] 以图形化的形式显示所述计算模块所计算出的各类激励结果，包括时域激励、频 域激励和加速激励阶次分析；
[0030] (4)结果输出：
[0031] 以表格的形式将发动机的频域激励输出显示，包括激励的幅值和相位。
[0032]所述惯性力计算模型为：
[0033] EFi2 = -MrecXr c〇2[cos29+cos2(9 + 180° )+cos2(9 + 180° )+cos29] = -4Mrec^r ω 2cos29；
[0034] 其中，Ft2为二级往复惯性力，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，λ表示曲柄长 度的一半与连杆长度比值，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度， r表示曲柄长度 的一半。
[0035]所述惯性力矩计算模型为：
[0036] ETi = 2MreCr2 ω 2sin29 ；
[0037] 其中，Ti表示发动机惯性力矩，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，r表示曲柄 长度的一半，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度。
[0038]所述气体力矩计算模型为：
[0041]其中，Tg表示发动机气体力矩，Fg表示气体对活塞的压力，r表示曲柄长度的一半，Θ 为当前时刻曲轴转动角度，λ表示曲柄长度的一半与连杆长度比值，Pg表示发动机测试缸 压，D表示活塞直径。
[0042]本发明具有以下优点:本发明不依赖于现有的商业软件，通过集成发动机惯性力、 惯性力矩和气体力矩求解模型，开发四大模块，即：求解设置模块、计算模块、显示模块和结 果输出模块，对整车怠速、加速工况发动机激励进行快速求解与分析，有助于整车NVH性能 分析。此外，本发明充分考虑了不同工况下的发动机激励产生原理，对怠速激励完成各阶次 激励叠加激励求解;对加速激励完成制定阶次激励求解，并实现激励阶次分析。为了便于整 车NVH性能仿真分析，本发明实现了输出模块直接输出计算激励结果，生成Nastran分析卡 片，减少了分析工程师操作工作。
【附图说明】
[0043]图1为本发明的系统架构图；
[0044]图2为本发明中求解设置模块GUI功能分布示意图；
[0045]图3为本发明中计算模块的执行流程；
[0046]图4为本发明中算法模块的执行逻辑；
[0047]图5为本发明中时域激励GUI显示布局；
[0048]图6为本发明中频域激励GUI显示布局；
[0049]图7为本发明中结果输出模块GUI布局；
[0050]图8为本发明中具体实例时域激励结果图形显示；
[0051]图9为本发明中实例频域激励结果图形显示；
[0052]图10为本发明中具体实例发动机激励结果输出。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0054] 如图1所示的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，包括求解设置模块、计算 模块、显示模块和结果输出模块。正式开始针对所搭载的发动机计算其输出激励。算法执行 的数据流如图4所示，对于时域计算，读取发动机基本参数和发动机测试缸压，结合惯性力 计算模型、惯性力矩计算模型和气体力矩计算模型分析一个周期内发动机激励曲线，并由 显示模块输出；对于频域计算，结合发动机激励时域结果和分析模式，通过快速傅立叶变 换，将时域激励转化到频域，然后提取相关阶次频率对应的激励幅值，并通过显示模型进行 图像输出，以及利用结果输出模块输出激励幅值和相位。本发明中所述求解设置模块、显示 模块和结果输出模块均具有用户界面，便于整车NVH仿真分析工程师直观操作，分析问题和 提取结果;而算法模块主要包含时域和频域计算求解，其中时域结果用于用户直观分析发 动机激励，而频域计算用于结构仿真分析软件(如:Nastran、Opt Struct)在频域上分析整车 车内振动噪声问题。
[0055] 如图2所示，求解设置模块的用户界面上具有"发动机参数"按钮和"求解计算模 式"按钮，用户通过点击"发动机参数"按钮，进入发动机参数设置界面，对分析问题的发动 机的基本参数和发动机测试缸压进行设置，比如：怠速转速为750rpm，活塞直径76mm，曲柄 长度82.6mm，连杆长度133.2mm，活塞质量242g，连杆质量450g。用户通过点击"求解计算模 式"按钮进入分析模式设置界面，分析模式包括怠速分析和加速分析。
[0056]如图3和图4所示，计算模块包括对发动机激励（往复惯性力、惯性力矩和气体力 矩)的时域计算和频域计算。该计算模块支持开源算法代码更新，可嵌入修正后的激励求解 方法，提升了整车NVH仿真分析精度。时域计算是基于所述发动机基本参数、发动机试验测 试数据，并结合内嵌的惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和气体力矩计算模型计算出时 域激励，即时域上的惯性力、惯性力矩和气体力矩激励。频域计算是结合时域分析结果和分 析模式，判断分析模式，若为怠速分析，则通过快速傅立叶变换将时域激励转化为频域激 励，并发动机各个阶次激励结果，若为加速分析，首先通过快速傅立叶变换将加速过程各转 速的时域激励转化为频域激励，由此得到加速过程的各个阶次激励结果，通过阶次分析得 到产生加速风险的问题阶次，然后输出该阶次下对应的加速频域激励。
[0057]如图5和图6所示，显示模块以图形化的形式显示计算模块所计算出的各类激励结 果，包括时域激励、频域激励和加速激励阶次分析。如图8所示，在时域激励结果GUI显示主 要包括气体力矩、惯性力、惯性力和相位角。如图9所示，所述频域激励结果GUI显示主要包 括气体力矩阶次分析、惯性力矩阶次分析、惯性力阶次分析和激励频谱图。显示模块的主要 作用是提供图形化的显示界面便于工程师在时域和频域上分析发动机激励，判定产生激励 峰值的频段，预测整车NVH问题的风险;通过阶次分析显示，直观描述加速过程的主要激励 阶次。
[0058]如图7所示，结果输出模块主要是以表格的形式将将求解的发动机的频域激励输 出显示，包括激励的幅值和相位。激励涉及:气体力矩、惯性力和惯性力矩，及其对应的频率 值。该模块可以显示各个频率下发动机各类激励的幅值，及其对应的相位，如图10所示，便 于工程师精确判断激励峰值点。工程师可以直接对输出结果进行处理，导出。
[0059] 本发明所述的一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，包括以下步骤：
[0060] (1)求解设置：
[0061 ]设置发动机参数和分析模式，发动机参数包括发动机基本参数和发动机测试缸 压，所述发动机基本参数包括怠速转速、活塞直径、曲柄长度、连杆长度、活塞质量、连杆质 量，所述分析模式包括怠速分析和加速分析。
[0062] (2)求解：
[0063]读取发动机基本参数和发动机测试缸压，结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模 型和气体力矩计算模型，计算出时域激励;判断分析模式，若为怠速分析，则通过快速傅立 叶变换将时域激励转化为频域激励，并给出发动机各个阶次激励结果;若为加速分析，首先 通过快速傅立叶变换将加速过程各转速的时域激励转为频域激励，得到加速过程的各个阶 次激励结果，通过阶次分析得到产生加速风险的问题阶次，然后输出该阶次下对应的加速 频域激励。其中：
[0064]所述惯性力计算模型为：
[0065] EFi2 = -Mrec^r ω 2[cos29+cos2(9 + 180° )+cos2(9 + 180° )+cos29] =-4Mrec^r ω 2cos29 (1)；
[0066] 其中，Ft2为二级往复惯性力，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，λ表示曲柄长 度的一半与连杆长度比值，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度， r表示曲柄长度 的一半。
[0067]所述惯性力矩计算模型为：
[0068] ETi = 2Mrecr2〇2sin20 (2)；
[0069] 其中，Ti表示发动机惯性力矩，Mre3。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，r表示曲柄 长度的一半，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度。
[0070] 所述气体力矩计算模型为：
[0073]其中，Tg表示发动机气体力矩，Fg表示气体对活塞的压力，r表示曲柄长度的一半，Θ 为当前时刻曲轴转动角度，λ表示曲柄长度的一半与连杆长度比值，Pg表示发动机测试缸 压，D表示活塞直径。
[0074] (3)显示输出：
[0075] 以图形化的形式显示所述计算模块所计算出的各类激励结果，包括时域激励、频 域激励和加速激励阶次分析。
[0076] (4)结果输出：
[0077]通过输出模块将发动机的频域激励输出显示，包括激励的幅值和相位。
[0078] 本发明中，图8至图10中的Gas torque表示气体力矩，Inertia Force表示惯性力， Inertia torque表示惯性力矩，Frequence表示频率，angle/degree表示角/度，Excite Value表示激励值。
【主权项】
1. 一种整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，其特征在于，包括： 求解设置模块，用于用户设置发动机参数和分析模式，该发动机参数包括发动机基本 参数和发动机测试缸压； 计算模块，包括对发动机激励的时域计算和频域计算;所述时域计算是基于所述发动 机基本参数和发动机测试缸压，并结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和气体力矩计 算模型计算出时域激励，即时域上的惯性力、惯性力矩和气体力矩激励;所述频域计算是结 合时域分析结果和分析模式，通过快速傅立叶变换将时域激励转化为频域激励，然后提取 相关阶次频率对应的激励幅值； 显示模块，W图形化的形式显示所述计算模块所计算出的各类激励结果，包括时域激 励、频域激励和加速激励阶次分析； 结果输出模块，W表格的形式将发动机的频域激励输出显示，包括激励的幅值和相位。2. 根据权利要求1所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，其特征在于:所述 惯性力计算模型为：其中，Ft2为二级往复惯性力，Mre。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，λ表示曲柄长度的 一半与连杆长度比值，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度，r表示曲柄长度的一 半。3. 根据权利要求1所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，其特征在于:所述 惯性力矩计算模型为：其中，Ti表不发动机惯性力矩，Mrec表不活塞质量与1/3连杆质量之和，:Γ表不曲柄长度的 一半，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度。4. 根据权利要求1所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，其特征在于:所述 气体力矩计算模型为：其中，Tg表示发动机气体力矩，Fg表示气体对活塞的压力，r表示曲柄长度的一半，Θ为当 前时刻曲轴转动角度，λ表示曲柄长度的一半与连杆长度比值，Pg表示发动机测试缸压，D表 示活塞直径。5. 根据权利要求1至4任一所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解系统，其特征在 于:所述求解设置模块、显示模块和结果输出模块均具有用户界面。6. -种整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，其特征在于，包括W下步骤： (1)求解设置： 设置发动机参数和分析模式，该发动机参数包括发动机基本参数和发动机测试缸压， 所述发动机基本参数包括怠速转速、活塞直径、曲柄长度、连杆长度、活塞质量、连杆质量， 所述分析模式包括怠速分析和加速分析； (2) 求解： 读取发动机基本参数和发动机测试缸压，结合惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和 气体力矩计算模型，计算出时域激励;判断分析模式，若为怠速分析，则通过快速傅立叶变 换将时域激励转化为频域激励，并给出发动机各个阶次激励结果;若为加速分析，首先通过 快速傅立叶变换将加速过程各转速的时域激励转为频域激励，得到加速过程的各个阶次激 励结果，通过阶次分析得到产生加速风险的问题阶次，然后输出该阶次下对应的加速频域 激励； (3) 显示输出： W图形化的形式显示所述计算模块所计算出的各类激励结果，包括时域激励、频域激 励和加速激励阶次分析； (4) 结果输出： W表格的形式将发动机的频域激励输出显示，包括激励的幅值和相位。7. 根据权利要求6所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，其特征在于： 所述惯性力计算模型为：其中，Ft2为二级往复惯性力，Mre。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，λ表示曲柄长度的 一半与连杆长度比值，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度，r表示曲柄长度的一 半。8. 根据权利要求6或7所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，其特征在于:所 述惯性力矩计算模型为：其中，Ti表示发动机惯性力矩，Mre。表示活塞质量与1/3连杆质量之和，:Γ表示曲柄长度的 一半，ω表示发动机转速，Θ为当前时刻曲轴转动角度。9. 根据权利要求6或7所述的整车怠速、加速仿真发动机激励求解方法，其特征在于:所 述气体力矩计算模型为：其中，Tg表示发动机气体力矩，Fg表示气体对活塞的压力，r表示曲柄长度的一半，Θ为当 前时刻曲轴转动角度，λ表示曲柄长度的一半与连杆长度比值，Pg表示发动机测试缸压，D表 示活塞直径。
【文档编号】G06F17/50GK106096193SQ201610486605
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】彭磊, 许春铁, 王卓
【申请人】重庆长安汽车股份有限公司