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基于ABAQUS的发动机进气系统动态响应分析
张贝,黄鹏程,陈凯
泛亚汽车技术中心有限公司
摘要:本文基于ABAQUS的模态分析和稳态动力学分析功能，分析了某发动机进气系统在台架实验
振动激励下的动态应力，并计算了节气门体的加速度峰值。文章首先介绍了发动机进气系统结构分
析方法，然后通过对比三种进气系统设计方案，讨论了不同的支架设计对进气歧管和节气门体结构性能的影响，为设计开发提供了合理的建议，最后通过了试验验证。
关键词:发动机进气歧管节气门动态响应
1.引言
进气系统是指将空气或者混合气导入发动机汽缸内的零部件集合，包含进气岐管、节气门、进
气门机构等。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、温度适当的空气进行燃烧，以最大限度的降低发动机磨损并保持最佳的发动机性能，在合理的保养间隔内有效的过滤灰尘并保持进气阻力
在规定的限制内。
由于进气端的温度较低，复合材料开始成为热门的进气岐管材质，其质轻而内部光滑，能有效
减小阻力，增加进气的效率。然而，因为轻量复合材料的使用，使进气系统的固有频率比金属进气岐管低，因此需要校核进气岐管在工作状态下的强度，同时节气门体需要满足振动加速度的要求。
本文以某发动机项目为例，对塑料进气岐管和节气门体进行了动态响应分析。
在某轿车用发动机项目的开发早期，为校核进气系统的结构强度，确定节气门体的支架设计方
案，通过CAE分析结构动态响应来评价各种预备方案下，进气歧管本体的强度和节气门体的振动加
速度，以为设计提供指导。开发阶段的后期，通过试验与CAE仿真结果的对比，验证了分析方法的
可行性。
图1.进气系统示意图
2.仿真模型与边界条件
2.1仿真思路
首先，通过模态计算检验三个进气系统模型的固有频率是否能达到目标值。如果模态能满足要
求，说明结构总体刚度具有一定余量，无须进行后续动态计算；如果模态不能满足要求，则进行动
态响应分析，校核结构动态强度和振动加速度，并进行优化，选择一个能达到目标的方案。具体仿
真流程见图2。
图2.仿真流程
2.2基于模态叠加法的稳态动力学分析简介
基于模态叠加法的稳态动力学分析的思路是：先提取无阻尼系统的特征模态，通过变换使系统
解耦，得到一组用模态坐标表示的单自由度运动方程。求解各单自由度运动方程得到系统在模态坐
标下的稳态响应后，通过变换获得系统在物理坐标下的稳态响应，简要介绍如下。
对于多自由度系统，如果考虑粘性阻尼，则其受迫振动的微分方程为：
Mu??+Cu?+Ku=f（1）
(t)
设已解出系统的各阶固有频率为1，因为主振型的正
ω,,...,ω
1ω和各阶主振型为φ,φ,...,φn
2n2
交性，可以证明主振型是线性无关的。因此，对于n个自由度系统的任何振动形式，都可以表示为
这n个正交的主振型的线性组合，即存在常数1，使：
ξ,ξ,...,ξ
2n
u=
n
∑
ξφ（2）
ii
j=1
写成矩阵形式为：
u=ξφ（3）
上式就是展开定理，用模态叠加法求系统动力响应就是建立在展开定理的基础上。根据展开
定理，对方程（1）实行坐标变换，再用模态矩阵的转置
φ前乘方程的两边，得：
T
φTMφξ??+φTCφξ?+φTKφξ=φT
f
(t)
（4）
若系统为比例阻尼，可用正交条件使上述方程解耦，变为一系列相互独立的方程组：
Mξ??+ξ?+ξ=（5）
CKf
其中，M,C,K都是对角阵，它们的对角线元素分别为：
mi=φMφ
T
ii
ci2/,1,2,...,
=φTφ=ξωmω2==
C
(kmin)iiiiiiii
k=φTφ=ω2
iKm
iiii
广义力为：
fT
i=φ
i
f
(t)
这样，方程组（5）可以写为：
mckfin
iξ??+ξ?+ξ==1,2,...,（6）
iiiiii
这是n个相互独立的单自由度系统的运动方程，每一个方程都可以按单自由度系统的振动理论
去求解。从方程（6）中解得ξi后，再将其代入方程（2）求得广义坐标u的解。下面以简谐激励为
例说明。
若
f为简谐激励，即：
i
f=ωt（7）
j
ife
i0
设系统的稳态响应为：
ξjωt
i0
i=ξe（8）
将（8）代入方程（6），可以解得：
f
ξ=
i
ik?mω2+jωc
iii
（9）
在
ξ解出后，代入式（2），解得u。
i
上述即为用模态叠加法做动态响应分析的简要过程。
2.3有限元模型
本文中讨论了三种进气