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1、2000年 第14卷 第1期华 北 工 学 院 测 试 技 术 学 报Vol.14 No.1 2000(总第31期)JOURNAL OF TEST AND M EASUREM ENT TECHNOLOGY OF NCIT(Sum No.31)文章编号:100826374(2000)0120053204发动机机体结构振动模态分析黄晋英,潘宏侠,李霆(华北工学院 机械电子工程系,山西 太原030051)摘要目的建立某发动机的有限元模型,并进行模态分析,为研究机体的优化和动力匹配作准备工作.方法用A nsys5.4有限元分析软件,对一12缸V型发动机进行自由模态分析,其中采用10节点4面体单元构造出
2、较详细的机体离散模型.结果求解了机体的自由模态参数,与试验模态分析所得到的模态参数相对照.结论表明有限元方法对复杂结构的动力分析是一种有效方法,为进一步研究机体的优化、动力匹配和响应奠定了基础.关键词机体;有限元法;模态分析中图分类号TK423文献标识码:A随着对环境要求的不断提高,发动机的振动和噪声问题越来越引起人们的注意,而机体是发动机的主体结构,在工作时与发动机诸多零部件相连接,承受着极为复杂的载荷,其动态特性对发动机的整体性能影响尤为重要,对机体作模态分析有助于识别机体的动态特性.模态分析技术是现代机械产品结构动态设计、分析的基础,是近几年来迅速发展起来的分析结构系统动态特性的强有力的
3、工具.目前,国内、外对实物进行模态分析多采用试验研究和有限元数值计算相结合的方法1,常用实验模态分析的结果修正有限元模型,由此可得到含有结构参数的、精确的有限元模型.本文以A nsys5.4为支撑软件,对某发动机机体进行了有限元模态分析,所得结果与实验值相吻合,证明所建模型正确,为下一步对机体进行优化设计和分析机体与发动机其他零部件的匹配关系奠定了基础.1计算模型的建立111计算软件的选择本课题要研究的主要问题是发动机这样的复杂结构的动态特性以及它与其上零部件的动力匹配特性,因此要求所选计算软件能够处理一些特殊的结合面问题,并且计算功能强大,A nsys与Ideas,SA P等相比,在计算功能
4、上较强,含有一些特殊的单元,而且在同等规模下,计算精度要高于其他软件,因此计算中选择A nsys.112结构的简化本文所分析的机体为一V型发动机,共有12个缸,是一个经铸造、机加得到的复杂收稿日期:1999211215基金项目:山西省自然科学基金资助项目作者简介:黄晋英(1971-),女,助教,硕士生.从事专业:机械电子.结构,该结构上分布有各种加强筋、凸台、轴承孔、水道、油道孔及各种纵横隔板等.在建立机体有限元模型时,不可能使模型的质量矩阵和刚度完全与实际一致,依据等效原理,须对结构进行简化.图1机体模型示意图简化时,只考虑一些起主导作用的因素来建立机体的简化模型:由于该机体模型是为某模态分
5、析和动力学匹配作准备的,而不需了解机体局部的特性与应力状况,因此对安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、水道、油孔等对整体特性影响较小的局部结构予以忽略;资料表明,对机体这种箱型结构,在其上加横隔板只影响其扭转变形,而对弯曲变形影响较小2,但机体的破坏主要是由于弯曲变形引起的,而且,扭转振动在实际工作中很难被激起,因此分析时主要考虑其弯曲变形,对横隔板上的加强筋、凹槽等不规则结构不予考虑;为了与试验值相对照,将主轴承盖作为机体的一部分,忽略螺栓连接.简化以后的机体模型如图1所示.113网络的划分在以往各种发动机的动态分析中,认为机体主要是由板、壳组成的,在受力上基本是承受拉压和弯曲两种状态,因此用
6、有限元中的梁、板壳单元来描述机体的结构,或者用板、梁和块体元的组合来描述35.用不同的单元来描述同一个机体,必须使不同单元的接触图2机体有限元网格示意图处结构的变形协调,为此,需人工进行调整,要花费较长的时间,而且人工干预太大,这样会引起单元畸变.从有限元理论知,用三维实体元来描述机体结构,更能反映机体的实际状况.采用A nsys5.4中的Solid92单元(10节点4面体单元),由于机体结构相当复杂,为减小由于人工干预太多所带来的建模误差,利用A nsys5.4自带的SMARTSIZE功能,将整个机体一次性自动划分网格,这样网络比其他软件分块划分的网格更合理一些.根据以往的经验,一般计算动力
7、问题的模型规模只有有静力问题的就可以,因此在划分网格时,为减小计算规模,使内部网络疏于表层网格.其网格划分示意图如图2所示,节点总数为42 774,单元总数为20 762.2模态计算的结果与分析211结构模态分析结构模态是振动系统特性的一种表征.一般来说,模态参数包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等,但其中最重要的是前两项.模态参数将表明在哪几45华 北 工 学 院 测 试 技 术 学 报2000年第1期种频率下结构会产生共振以及在各阶频率下结构的相对变形,对于改善结构的动态特性,这是最重要的基本参数6.对于一个N自由度系统,其结构动力学方程可表示为M+C+K=P(t)(1
8、)式中M,C,K分别为系统的质量、阻尼、刚度矩阵;为节点位移向量;P(t)为载荷向量.无阻尼自由振动的运动方程为M+K=0(2)212计算结果与分析利用A nsys5.4有限元程序,选择子空间叠代法(SUBSPACE)求解,得到机体的模态参数.机体的固有频率与实验值比较结果见表1.表1机体固有频率计算值与实验值的比较阶数123456试验值?Hz194.83343.40373.99434.24计算值?Hz209.74350.29355.92372.80408.73422.48从表1知,计算得出的机体固有频率值与实验值7相比误差较小,表明有限元分析法图3一阶振型(f=209.74 Hz)图4二阶振
9、型(f=350.29 Hz)是一种有效的计算复杂结构模态的方法.其各阶振型如图3图8所示.振动图所示:第一阶为一阶扭转振型,第二阶为纵向一图5三阶振型(f=355.92 Hz)图6四阶振型(f=372.80 Hz)阶弯曲振型,第三阶为飞轮端局部模态,第四阶为横向一阶弯曲振型,第五阶为主轴承座部位的局部模态,第六阶为纵向二阶弯曲振型.从振型图7三阶振型(f=408.73 Hz)图8三阶振型(频率:422.48 Hz)图上看出,机体的弯曲变形在第二、第五缸处曲率最大,因此,这两缸容易损坏,在实际中也出现第二、第五缸损坏的情况,与实际相符;与试验值相比较,第三、第五阶模态为局部模态,由于试验时不可能
10、布置太多的测点,用55(总第31期)发动机机体结构振动模态分析(黄晋英等)少数点响应的集总平均来拟合机体的振动模态,故而有些局部模态可能反映不出来,而利用有限元方法可以将所有的模态(整体与局部模态)全部反映出来,这是有限元方法与实验分析相比的一个优点.从飞轮端局部模态可以看出,该处的刚度比较薄弱,若不采取措施,有可能在激励力的作用下,机体的整体的振动还没有激起来时,该处就发生共振,主轴承座处局部模态的出现是由于没有约束,实际上加曲轴以后,这阶模态可能消除.3结论(1)用有限元分析法对机体进行自由模态分析,其计算结果与实验值比较相差较小,表明所建立的有限元模型基本正确,为进一步对机体的优化、机体
11、与其他件的匹配工作奠定了基础;(2)机体的第一阶固有频率为209.74 Hz,而发动机的发火频率为220 Hz,发火时会经过该阶固有频率,虽然实际中与其他件装配时固有频率会有所提高,但如果与其他件匹配不合理的话,仍有可能低于发火频率就激起机体的共振,因此应提高机体的固有频率.参考文献:1俞明,李盛成,方华,等.EQ 1600机体动态特性研究J.小型内燃机,1996,25(3):2732.2曹红松.双高炮下架反设计及鱼鳃撑板的分析计算D.太原:华北工学院,1994.2324.3崔志琴,李小雷,张翼,等.缸盖的有限元分析J.车用发动机,1999,(4):3638.4俞明,黄榕清.由机体结构设计减小
12、表面振动响应J.内燃机学报,1997,15:354358.5陈云彪.6135柴油机机体三维有限元分析研究D.北京:北京理工大学,1996.2029.6李润方,王建军.结构分析程序SA P5原理及其应用M.重庆:重庆大学出版社,1992.109114.7樊文欣,李霆.柴油机模态试验与分析.车用发动机,1997,(1),5154.StructuralV ibration M odalA nalysis of Engine BlocksHUAN G Jin2ying,PAN Hong2xia,L I T ing(Dept.ofM echatronics Engineering,North China
13、 Institute of Technology,Taiyuan 030051,China)AbstractA i mTo build a finite element model and analyze the normalmodel ofan engine for the study of the engine optim ization and dynam ic matching.M ethodsA nalyze the normal modal of a V type engine w ith 12 cylinders byusing A nsys5.4 finite element
14、software.In addition,builded a detailed dispersemodel of engine blocks by 10 node points tetrahedron unit.ResultsThecalculated modal parameters of the block using the finite element method iscompared to the experimental values com ing fromthe modal test method toensure the validity of the finite element model.ConclusionThe finite elementmodel valid enough to dynam ic analysis of complex structure,and settled basesfor the engine optim ization dynam ic matching and dynam ic response.Key wordsengine block;finite element methods;modal analysis65华 北 工 学 院 测 试 技 术 学 报2000年第1期