柴油機缸體模態分析范文

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《南方農機雜志》2014年第四期

1缸體模態有限元分析

1.1缸體三維實體模型及有限元模型建立缸體是鑄造的箱體零件，其結構相當的復雜，有各種加強筋，凸臺，水套，油道等分布其中。運用UG進行建模時，要有整體的規劃，先從大的特征入手，小的導角等留到最后。由于其結構復雜，建立有限元模型的時候，不能使用軟件的自動劃分工能，必須手動劃分。以往有限元分析的經驗是在劃分網格之前進行幾何清理。在這里，由于模型很大，進行幾何清理非常繁瑣，因而在這里不提前進行清理，劃一部分清理一部分。有限元中，三維實體元主要有兩類：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元劃分時要求結構的形狀比較規則，而對于內燃機缸體這樣的復雜構件，對其進行六面體網格的自動劃分是非常困難的。并且對于模態分析十節點四面體就能得到高精度的分析結果。因而在此運用十節點四面體。根據文獻[4]及缸體實際情況，選擇網格大小為6mm，為表現結構特征，局部可以縮小到3mm。圖1，圖2分別為缸體的三維實體模型及有限元模型，其中有限元模型共127，696個單元。

1.2材料參數缸體總成包括缸體與悶塞，由于做試驗的缸體是帶水套悶塞的，因而有限元計算的時也要加上這個部件。缸體、悶塞的材料參數見表1。

1.3有限元計算結果為了分析方便，建立以下坐標系；曲軸方向為Y軸，氣缸中心線方向為Z軸，缸體橫向為X軸。圖3到圖9為缸體在自由狀態下的前十階振型云圖。第一階模態為扭轉振動。扭轉的中間平面為缸體縱向的中間平面，距中間平面越遠，振幅越大；第二階彎曲振動，中間和兩頭振動較大；第三階為撓Z軸的扭，中間兩個氣缸變形較大。

2缸體模態試驗

本次試驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所的DASP系統。圖6為設備的原理示意圖。模態試驗時，測試點所得到的信息要求有盡可能高的信噪比，因此測試點不應該靠近結構振動節點，圖7為本次測量的測點布置圖，測點用數量標出。測量時，將缸體用柔性繩懸掛，懸掛點選擇前幾階振型振幅較小區域。將試驗中采集到的每次激勵的力信號、各測點三個方向響應的加速度信號數據，在模態分析軟件上進行處理，得到頻響函數。進行模態擬合后，識別得到缸體的模態參數。圖8是本次測量現場圖片。激勵，采集數據之后就是數據的分析處理過程。DASP系統能夠方便的對這些數據進行處理，圖9是本次試驗處理后的結果。

3有限元結果與試驗結果對比

為了驗證有限元分析模型的準確性，對有限元分析結果和試驗結果的低階模態進行了對比。有限元計算結果和實驗結果對比見表2。從表中可以看出，有限元計算與實驗值的最大相對誤差為5.7％，其余各階均在5%以內，基本滿足CAE分析準確性要求。由此說明，仿真模型是可靠的，可以反應缸體的動態特性。

4結語

筆者在對柴油機缸體模態分析與試驗驗證過程中，有以下幾點心得或結論：1）對缸體進行了有限元模態分析和試驗模態分析。2)通過實驗數據校核，仿真模型最大相對誤差為-5.7%，其余各階均在5%以內，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整體的整體彎扭；四到八階為主軸承座和缸體連接區域的局部模態；八階以后為主軸承座與橫隔板的往復振動以及缸體側面局部振動。從模態分析結果可知。低頻激勵主要激發缸體整體的彎曲和扭轉振動。高頻激勵可能使主軸承和缸體側面產生局部振動。這些模態是產生機械噪聲的主要模態。

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動機開發部