一種發動機零部件優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于發動機零部件減振技術領域，尤其是涉及一種發動機零部件優化設計 方法。
【背景技術】
[0002] 發動機作為各種車輛和機械工具的動力"心臟"，是實現各類工具功能發揮的關鍵 因素。作為發動機重要性能特征之一的振動指標，直接影響到發動機的可靠性及功能的實 現程度。
[0003] 隨著現代化發動機向"高功率密度"設計理念的轉變，高轉速、高爆壓、輕量化等必 然導致整機及相關零部件振動水平大幅提高。而在初始設計階段或零部件改進過程中，不 具備利用成熟樣機或樣件進行振動試驗的條件，因此很難通過試驗的方法預測整機的振 動，傳統的發動機研發在振動控制方面處于被動的"事后補救"模式，沒有在設計開發過程 中充分考慮，更未形成系統的振動控制技術，從而導致發動機產品開發周期比較長，反復試 制成本高，而且可靠性也比較差。由此可見，傳統的振動處理方式已難以滿足發動機零部件 設計過程中在振動控制方面的使用要求。
[0004] 因此，形成一種基于整機及零部件振動指標優化為基礎的發動機零部件設計方 法，實現由被動抑制向主動控制的轉變，具有非常重要的理論和實際意義。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明旨在提出一種發動機零部件優化設計方法，為以整機或零部件 振動特征優化為基礎的發動機零部件優化設計方法。
[0006] 為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
[0007] -種發動機零部件優化設計方法，包括如下步驟：
[0008] 1)獲得設計指標要求，包括發動機結構參數、性能指標、振動水平控制指標等約束 條件；
[0009] 2)利用發動機振動圖譜庫，完成首輪基礎方案推薦；
[0010] 3)利用發動機結構振動控制優化技術進行零部件結構改進設計；
[0011] 4)設計任務輸出。
[0012] 進一步的，所述步驟2)中發動機振動圖譜庫的建立方法包括如下步驟：
[0013] 21)振動圖譜重要特征、控制參數與影響參數的定義；
[0014] 重要特征:根據實際或預測的發動機運行工況，可直觀顯示整機不同工況的振動 烈度最大值；
[0015]控制參數及影響參數包括:發動機結構布置形式，發動機強化程度，發動機轉速、 扭矩、當量振動烈度
[0016] 22)振動響應提取區域與位置定義，進行整機振動測試的測點布置，形成用于指導 試驗及數據存儲的0DS圖形；
[0017] 23)典型發動機機型選取，并對步驟22)中測點進行表面振動信號測量及測量數據 的仿真校對，通過對測試數據的二次處理得到步驟1)中定義的重要特征、控制參數與影響 參數的數據;具體是對發動機各穩態或瞬態工況進行試驗測試，使用振動信號數據采集系 統進行各測點三向振動原始時域信號采集，選取關心頻率范圍，利用頻域數據處理方法，得 到單測點單方向振動加速度數據，進行傅里葉積分，得到單測點單方向的振動速度數據，再 進行傅里葉積分，得到單測點單方向的振動位移數據；
[0018] 發動機振動測試完成后，通過計算求得當量振動烈度，當量振動烈度的計算公式 為：
[0019]
[0020]其中：Vs是當量振動烈度，mm/s; vx，Vy，vz是X，y，z三個方向上各規定測點的振動速 度均方根值，mm/s; Nx，Ny，Nz為X，y，z三個方向上的測點數；
[0021]完成全部試驗工況點測試后，將試驗數據進行二次處理，再利用矩陣圖形處理方 法形成整機的振動烈度分布圖，并將測點相關數據與22)步驟形成的0DS測點圖進行關聯； [0022] 24)將上述23)得到的測試數據與整機三維模型或0DS圖進行關聯，完成關心區域 振動位置頻譜提取及組集；
[0023] 25)通過多種機型的試驗測試以及仿真分析工作，利用步驟23)反復的進行應用和 校核，逐步減少試驗測點數量，形成發動機振動圖譜提取方法；
[0024] 26)通過步驟25)振動提取方法形成發動機振動圖譜，再通過大量試驗及仿真數據 結合，形成系列機型圖譜族。
[0025] 進一步的，所述步驟2)是根據發動機整機結構振動分析方法，建立考慮不同結構 形式及結構尺寸參數變化的發動機整機振動分析模型，獲得上述參數對整機振動評價指標 的影響規律，得到零部件基礎結構配置推薦方案;將步驟1)中全部設計指標參數輸入發動 機振動圖譜庫中，由發動機振動圖譜庫推薦發動機結構形式，及其在全功率覆蓋范圍內的 振動水平預測。
[0026] 進一步的，步驟3)是通過建立考慮離散變量結構形式、空間不同表面、激勵來源及 連續變量轉速、重要尺寸參數的整機結構振動優化模型，并綜合影響規律結果分析得到關 鍵參數靈敏度數據，找出本體部件振動對整機結構振動的貢獻以及各傳遞路徑對整機振動 的貢獻，形成各關鍵件優化設計分析模型；
[0027] 還要通過整機結構不同方案匹配優化，結合性能、結構、工藝定義目標函數、約束 函數、設計變量，輸出優化結果并對其進行評價，得到振動目標最優的參數匹配集，該匹配 集需滿足步驟1)要求的設計指標
[0028] 之后，若得到的最優的參數匹配集基本滿足步驟1)要求的設計指標，按照以下步 驟進一步優化改進設計:31)查找超限峰值整機工況區域;32)從發動機振動圖譜中提取對 應工況整機試驗和仿真數據;33)明確振動烈度超限區域及其結構形式;34)利用轉速及階 次切片等功能查找振動烈度超限部件及原因；35)利用發動機結構振動控制優化技術進行 零部件結構改進設計，并通過多輪次虛擬驗證及存量機型實物樣機或樣件振動響應試驗進 行驗證。
[0029] 進一步的，步驟1)還要根據設計指標要求，建立零部件初始模型或確定零部件主 要結構參數及組合形式，需確定激勵源基本特性，定義用于評估整機或零部件結構振動情 況的各項評價指標。
[0030] 相對于現有技術，本發明具有以下優勢：
[0031] 通過采用基于整機或零部件振動指標控制為基礎的發動機零部件優化設計方法， 可以改變傳統的發動機零部件設計過程中，在振動控制方面處于"事后補救"、"畫一制一 試"的被動形式，形成全過程的利用發動機振動圖譜等工具進行"預測設計"的零部件設計 模式;根據性能參數對結構振動影響規律、不同結構形式及結構尺寸參數對整機振動評價 指標的影響規律和關鍵參數靈敏度數據等基礎研究，形成發動機零部件優化設計方法;補 充和完善了發動機總體設計技術體系，實現振動控制技術與發動機零部件設計過程的有效 融合，實現產品研發過程中振動的有效控制，節約設計制造成本。
【附圖說明】
[0032] 構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
[0033] 圖1為本發明實施例性能指標設計要求；
[0034] 圖2為本發明實施例發動機零部件優化設計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。