FFT方法在发动机缸套变形评价中的应用

　　1 前言

　　众所周知，随着科技的发展，尤其是近一二十年，在工业制造业领域针对产品性能的评估主要通过试验和有限元技术来实现，尤其针对结构复杂的机械设备，有限元技术的应用尤为重要。

　　发动机是汽车的心脏，为汽车的行使提供动力，汽车的动力性、经济性、环保性，也主要取决于发动机的各项性能参数。发动机缸套变形乃是评价发动机结构性能的重要指标，变形值直接影响了发动机的燃油经济性和排放水平。

　　2 测量和评价缸套变形的方法

　　目前测量和评价缸套变形主要通过试验和有限元分析两种手段实现。而无论是试验还是有限元分析，我们直接得到的均是缸套的综合变形。然而具有实际工程意义的则是经过FFT快速傅立叶变换后的各阶次变形。

　　发动机汽缸孔在不同截面的形状包括各种各样不同的几何图形，反映了汽缸孔在受力状态下的变形程度。我们一般把这个形状改变了的“近似圆”其凹进及凸出的拐点看成是其“标准圆”的边界点。以这个“标准圆”的中心为坐标中心建立极坐标系，并用极坐标公式来研究汽缸孔变形。汽缸孔边界点相对于极坐标中心的变化公式表示了该点变化的大小。因此在缸孔变形中，运用傅立叶变换法把复杂的变形转化为2阶，3阶，4阶等有规律的阶次变形的形式，更合乎提取信息进行研究及分析的要求。

　　试验方面

　　目前主流采用德国的V-INCOMETER测量系统，对变形后的缸套采点取样，通过自带软件，对测点进行统计分析。

　　有限元分析方面

　　由于物理试验比较复杂，国外众多发动机研发单位大量的采用有限元方法对缸套变形进行评价。

　　图1 缸套变形有限元分析

　　3 FFT方法在缸套变形分析中的应用

　　FFT-快速傅立叶变换，在各类研究领域都有广泛的应用，在缸套变形分析领域，它可以将复杂的缸孔综合变形，分解成一系列规则的缸孔变形轮廓。

　　引起缸套变形的因素很多，通过研究FFT分解后的各阶变形，可以找到相应的导致变形过大的原因，从而起到指导优化缸体结构设计的目的。

　　目前，一部分研究人员认为，研究缸孔变形，需要重点关注的是4阶以内的变形，另外一部份研究人员建议5、6阶变形也需要关注。国外研究论文认为，引起3阶变形的主要原因是加工质量不理想，引起4阶变形的主要原因是过大的上紧力矩。2阶变形导致缸孔形状呈椭圆形，Scheider认为2阶变形与活塞环相对于缸套壁的垂直度有关。所有这些变形都能够减少但是不可能完全消除，因此，我们需要一个各阶次的变形限值来判定气缸孔的变形是否在合格的范围内。(此段摘自论文《气缸孔变形及其对发动机的影响研究 》，作者杨剑)

　　4 有限元工具软件中实现FFT傅立叶变换功能

　　有限元技术的应用大量的减少了物理样机试验的次数。为了更好的研究缸套变形，首先借助ABAQUS，ADVC等非线性求解器，对装配状态下的发动机机体进行结构分析，得到缸套变形结果。之后利用专业的有限元后处理软件对结果进行处理。

　　TSV-Post是一款通用有限元后处理软件，可快速方便的读取大规模模型结果文件。根据日美汽车发动机研发单位的需求，针对缸套变形分析开发了FFT快速傅立叶变换功能。将缸套总体综合变形分解为各阶次变形，帮助工程师找到引起变形的主因。
(本文不涉密)
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