智能型发动机压电悬置设计理论与实验研究

设计单片、多叠片压电作动器，研究分析激励电源的电压频率幅值相位之间的关系，设计位移放大机构，研究压电作动器的性能参数与原液压悬置参数间的耦合匹配问题，试制液力压电悬置样品并对其进行静动特性实验，提供液力压电悬置的设计理论、实验方法和制作技术。降低车内振动噪声，推进汽车绿色环保设计。

某大型挖掘机发动机橡胶悬置如图1所示。挖掘机工作过程中，悬置不仅承受发动机自身的激振力，在挖掘作业中还需承受巨大的冲击载荷，悬置需产生大的变形来吸收冲击，所以悬置的受力状态对其寿命和可靠性非常重要，而悬置的刚度和安装位置又决定了发动机的隔振率和能量解耦率。研究旨在于通过橡胶材料本构方程提供一种能分析橡胶件力学性能的方法。

超弹性模型悬置静刚度分析

（1）超弹性材料模型

橡胶这种超弹性材料的力学分析不能像线弹性那样只靠弹性模量和泊松比，而是需通过橡胶试样实验得到材料应力应变数据，通过拟合实验数据得到材料本构模型的系数。描述超弹性材料特征的有效理论之一是基于应变能密度函数的本构理论。

（2）悬置刚度有限元分析

发动机悬置的安装结构如图2所示，从上到下依次为限位罩、悬置、发动机支腿、悬置、限位罩和转台支架。2个悬置、2个限位罩及下支架通过螺栓拧成一个整体的悬置系统，产生固定悬置的预压紧力，所以悬置的刚度应考虑螺栓对悬置的预压缩。限位罩能使发动机支架在轴向±4mm、径向±2mm内移动。

悬置的有限元分析模型如图3所示，因为悬置的铁芯及圆盘与橡胶硫化在一起，为降低计算量，可直接用刚性边界条件替代；由于橡胶悬置轴对称，故只计算1/2对称模型。材料肖氏硬度为60。

静刚度分析步骤如下：（1）固定悬置的圆盘，将上限位罩下移10mm、铁芯下移2.5mm，到达实际拧紧状态，将悬置的圆盘正、负向分别移动4mm，得到轴向刚度。（2）将上限位罩下移10mm、铁芯下移2.5mm，到达实际拧紧状态，下圆盘径向移动2mm，得到径向刚度。

超弹性模型研究结论

（1）通过建立超弹性模型，分析了橡胶悬置的轴向、径向刚度，与试验结果对比误差较小，能够满足工程应用，为后续悬置优化及应力、应变分析提供依据。

（2）分析了拧紧量与悬置轴向刚度的关系，确定了悬置的最小拧紧量，可为后续改进提高悬置疲劳强度提供依据。 2100433B

在汽车轻量化、可变排量发动机大量运用以及整车功率密度不断增大的新形势下，运用性能更为优良的主动半主动悬置以提高整车的动态舒适性，成为当前汽车工业急需解决的工程问题。为此开展了主动半主动液阻悬置的研究。 发动机动力总成的刚体动力学参数是进行悬置研究的基本输入参数。为此首先研究了三线扭摆法复杂刚体动力学参数测试理论与方法，并进行了三线摆试验台的设计与专用数据处理软件的开发。 分析了可变解耦膜刚度半主动液阻悬置的基本结构，测试了其动特性。基于工程流体力学相关理论，建立了与结构几何相关联的非线性集总参数模型。基于储能动刚度不动点的参数识别方法，对其空气室封闭与接通大气两种状态下的上液室体积刚度和橡胶主簧等效泵液活塞面积进行参数识别，结果表明两种状态因解耦膜刚度不同而显著改变上液室体积刚度。对所建模型进行动特性分析，经与试验结果对比，二者吻合良好，验证了模型的合理性和参数的正确性。在此基础上，建立了单质量-半主动液阻悬置的隔振系统模型，对低频、高频及冲击等典型工况进行隔振性能仿真，基于力传递率探讨了典型工况下系统的隔振性能，提出了可变解耦膜刚度半主动液阻悬置的控制策略。 同时，对可变通道数半主动液阻悬置的动特性进行试验研究。基于工程流体力学相关理论，建立与结构几何相关联的液阻悬置非线性集总参数模型，考虑多组具有不规则形状和尺寸的惯性通道。基于储能动刚度不动点的参数识别方法，对上液室体积刚度和橡胶主簧等效泵液活塞面积进行参数识别。对所建模型进行动特性分析，经与试验结果对比，二者吻合良好，验证了模型的合理性和参数的正确性。在此基础上，建立单质量-可变通道数半主动液阻悬置的隔振系统模型，基于力传递率最小的目标提出可变通道数半主动液阻悬置的控制策略。 开发了汽车动力总成悬置系统设计分析软件，实现了悬置系统动态特性的优化以及基于五段线性、五次多项式的非线性静态分析功能，并嵌入了最新的液阻悬置动特性仿真的研究成果。 以上研究为半主动液阻悬置的工程应用以及下一步主动悬置的研究打下了良好的基础。

本项目在研究过程中按照研究计划逐步开展，从压电复合结构中声传播的模式和能带结构研究出发，开展了压电复合材料、声学人工复合结构等对声传播调控的理论和实验研究,取得了一系列原创性成果。课题组目前已在国内外学术刊物（或会议上）发表了12篇文章，其中9篇发表在Physical Review Letters, Applied Physics Letter, Smart Materials & Structures等SCI期刊上。此外，还参与编写了英文专著的相关章节。本项目达到了预期的研究目标。项目研究主要取得了以下几方面的研究成果：1、压电复合周期结构中面外波矢即可在低频段使面内产生弹性波禁带，从而达到抑制无效振动模式的目的。面外波矢还可控制特定弹性波模式在复合结构中的传播。综合利用填充率、晶格常数、面外波矢和不同电边界条件，可达到提高相应复合结构换能器的工作效率，调控压电复合结构中弹性波传播，满足实际工程应用所需带宽和起始频率的弹性波禁带。2、反对称式复合结构板可作为一个模式转换器，用于兰姆波对称和反对称模式间的转换；对称式复合结构板可作为一个模式选择器，在特定频段，只允许对称或反对称模式通过；两种结构相结合可实现兰姆波模式的单向传播。进而又提出了一种基于声子晶体结构的单向声学波导模型。3、理论上提出一种新型的二维声学人工复合结构，由常规的“双正”参数媒质构成，可有效地将任意方向入射的声波导引至中心区域。该理论模型简单高效，具有极大的工作带宽，与超吸收体相比优势明显，在噪声控制等领域有着潜在的应用价值。4、提出了一种基于变换声学的新的声学隐身方法。设计的关键在于通过坐标变换在被隐身物体和与其相似形状的背景媒质之间建立等效关系，并在被隐身物体外的空白区域填以单负材料的互补媒质。数值结果表明，被隐身物体能接受外界信号，却不能被外界的信号所感应，而且用来探测和通讯的内部信号可以发射到斗篷外。