柴油机缸体模态分析范文

《南方农机杂志》2014年第四期

1缸体模态有限元分析

1.1缸体三维实体模型及有限元模型建立缸体是铸造的箱体零件，其结构相当的复杂，有各种加强筋，凸台，水套，油道等分布其中。运用UG进行建模时，要有整体的规划，先从大的特征入手，小的导角等留到最后。由于其结构复杂，建立有限元模型的时候，不能使用软件的自动划分工能，必须手动划分。以往有限元分析的经验是在划分网格之前进行几何清理。在这里，由于模型很大，进行几何清理非常繁琐，因而在这里不提前进行清理，划一部分清理一部分。有限元中，三维实体元主要有两类：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元划分时要求结构的形状比较规则，而对于内燃机缸体这样的复杂构件，对其进行六面体网格的自动划分是非常困难的。并且对于模态分析十节点四面体就能得到高精度的分析结果。因而在此运用十节点四面体。根据文献[4]及缸体实际情况，选择网格大小为6mm，为表现结构特征，局部可以缩小到3mm。图1，图2分别为缸体的三维实体模型及有限元模型，其中有限元模型共127，696个单元。

1.2材料参数缸体总成包括缸体与闷塞，由于做试验的缸体是带水套闷塞的，因而有限元计算的时也要加上这个部件。缸体、闷塞的材料参数见表1。

1.3有限元计算结果为了分析方便，建立以下坐标系；曲轴方向为Y轴，气缸中心线方向为Z轴，缸体横向为X轴。图3到图9为缸体在自由状态下的前十阶振型云图。第一阶模态为扭转振动。扭转的中间平面为缸体纵向的中间平面，距中间平面越远，振幅越大；第二阶弯曲振动，中间和两头振动较大；第三阶为挠Z轴的扭，中间两个气缸变形较大。

2缸体模态试验

本次试验采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP系统。图6为设备的原理示意图。模态试验时，测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近结构振动节点，图7为本次测量的测点布置图，测点用数量标出。测量时，将缸体用柔性绳悬挂，悬挂点选择前几阶振型振幅较小区域。将试验中采集到的每次激励的力信号、各测点三个方向响应的加速度信号数据，在模态分析软件上进行处理，得到频响函数。进行模态拟合后，识别得到缸体的模态参数。图8是本次测量现场图片。激励，采集数据之后就是数据的分析处理过程。DASP系统能够方便的对这些数据进行处理，图9是本次试验处理后的结果。

3有限元结果与试验结果对比

为了验证有限元分析模型的准确性，对有限元分析结果和试验结果的低阶模态进行了对比。有限元计算结果和实验结果对比见表2。从表中可以看出，有限元计算与实验值的最大相对误差为5.7％，其余各阶均在5%以内，基本满足CAE分析准确性要求。由此说明，仿真模型是可靠的，可以反应缸体的动态特性。

4结语

笔者在对柴油机缸体模态分析与试验验证过程中，有以下几点心得或结论：1）对缸体进行了有限元模态分析和试验模态分析。2)通过实验数据校核，仿真模型最大相对误差为-5.7%，其余各阶均在5%以内，满足CAE分析要求。3)缸体第一阶固有频率为626HZ。前三阶主要是缸体作为一个整体的整体弯扭；四到八阶为主轴承座和缸体连接区域的局部模态；八阶以后为主轴承座与横隔板的往复振动以及缸体侧面局部振动。从模态分析结果可知。低频激励主要激发缸体整体的弯曲和扭转振动。高频激励可能使主轴承和缸体侧面产生局部振动。这些模态是产生机械噪声的主要模态。

作者：石勇曾小春胡县文于全庆单位：江铃汽车股份有限公司发动机开发部