柴油機(jī)缸體模態(tài)分析范文

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《南方農(nóng)機(jī)雜志》2014年第四期

1缸體模態(tài)有限元分析

1.1缸體三維實(shí)體模型及有限元模型建立缸體是鑄造的箱體零件，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，有各種加強(qiáng)筋，凸臺(tái)，水套，油道等分布其中。運(yùn)用UG進(jìn)行建模時(shí)，要有整體的規(guī)劃，先從大的特征入手，小的導(dǎo)角等留到最后。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立有限元模型的時(shí)候，不能使用軟件的自動(dòng)劃分工能，必須手動(dòng)劃分。以往有限元分析的經(jīng)驗(yàn)是在劃分網(wǎng)格之前進(jìn)行幾何清理。在這里，由于模型很大，進(jìn)行幾何清理非常繁瑣，因而在這里不提前進(jìn)行清理，劃一部分清理一部分。有限元中，三維實(shí)體元主要有兩類：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元?jiǎng)澐謺r(shí)要求結(jié)構(gòu)的形狀比較規(guī)則，而對(duì)于內(nèi)燃機(jī)缸體這樣的復(fù)雜構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分是非常困難的。并且對(duì)于模態(tài)分析十節(jié)點(diǎn)四面體就能得到高精度的分析結(jié)果。因而在此運(yùn)用十節(jié)點(diǎn)四面體。根據(jù)文獻(xiàn)[4]及缸體實(shí)際情況，選擇網(wǎng)格大小為6mm，為表現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征，局部可以縮小到3mm。圖1，圖2分別為缸體的三維實(shí)體模型及有限元模型，其中有限元模型共127，696個(gè)單元。

1.2材料參數(shù)缸體總成包括缸體與悶塞，由于做試驗(yàn)的缸體是帶水套悶塞的，因而有限元計(jì)算的時(shí)也要加上這個(gè)部件。缸體、悶塞的材料參數(shù)見表1。

1.3有限元計(jì)算結(jié)果為了分析方便，建立以下坐標(biāo)系；曲軸方向?yàn)閅軸，氣缸中心線方向?yàn)閆軸，缸體橫向?yàn)閄軸。圖3到圖9為缸體在自由狀態(tài)下的前十階振型云圖。第一階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)的中間平面為缸體縱向的中間平面，距中間平面越遠(yuǎn)，振幅越大；第二階彎曲振動(dòng)，中間和兩頭振動(dòng)較大；第三階為撓Z軸的扭，中間兩個(gè)氣缸變形較大。

2缸體模態(tài)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的DASP系統(tǒng)。圖6為設(shè)備的原理示意圖。模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試點(diǎn)所得到的信息要求有盡可能高的信噪比，因此測(cè)試點(diǎn)不應(yīng)該靠近結(jié)構(gòu)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，圖7為本次測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置圖，測(cè)點(diǎn)用數(shù)量標(biāo)出。測(cè)量時(shí)，將缸體用柔性繩懸掛，懸掛點(diǎn)選擇前幾階振型振幅較小區(qū)域。將試驗(yàn)中采集到的每次激勵(lì)的力信號(hào)、各測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向響應(yīng)的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)，在模態(tài)分析軟件上進(jìn)行處理，得到頻響函數(shù)。進(jìn)行模態(tài)擬合后，識(shí)別得到缸體的模態(tài)參數(shù)。圖8是本次測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖片。激勵(lì)，采集數(shù)據(jù)之后就是數(shù)據(jù)的分析處理過程。DASP系統(tǒng)能夠方便的對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖9是本次試驗(yàn)處理后的結(jié)果。

3有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證有限元分析模型的準(zhǔn)確性，對(duì)有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的低階模態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2。從表中可以看出，有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值的最大相對(duì)誤差為5.7％，其余各階均在5%以內(nèi)，基本滿足CAE分析準(zhǔn)確性要求。由此說明，仿真模型是可靠的，可以反應(yīng)缸體的動(dòng)態(tài)特性。

4結(jié)語

筆者在對(duì)柴油機(jī)缸體模態(tài)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，有以下幾點(diǎn)心得或結(jié)論：1）對(duì)缸體進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。2)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核，仿真模型最大相對(duì)誤差為-5.7%，其余各階均在5%以內(nèi)，滿足CAE分析要求。3)缸體第一階固有頻率為626HZ。前三階主要是缸體作為一個(gè)整體的整體彎扭；四到八階為主軸承座和缸體連接區(qū)域的局部模態(tài)；八階以后為主軸承座與橫隔板的往復(fù)振動(dòng)以及缸體側(cè)面局部振動(dòng)。從模態(tài)分析結(jié)果可知。低頻激勵(lì)主要激發(fā)缸體整體的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。高頻激勵(lì)可能使主軸承和缸體側(cè)面產(chǎn)生局部振動(dòng)。這些模態(tài)是產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要模態(tài)。

作者：石勇曾小春胡縣文于全慶單位：江鈴汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)部