四缸直列柴油机缸体模态分析
文章编号:100320794(2005)0820050202
四缸直列柴油机缸体模态分析
张江林1,张建亭2
(1.邢台职业技术学院,河北邢台054035; 2.太原理工大学机械工程学院,太原030024)
摘要:采用ANSY S 大型有限元结构分析软件对某四缸直列柴油机缸体进行了自由模态和
约束模态的有限元分析,揭示了多缸内燃机缸体的动力学特性,从而为产品的优化设计和技术改进提供了重要的参考依据。
关键词:柴油机;缸体;模态分析;有限元
中图号:TK 429;O242121
文献标识码:A
1 引言
随着对环保要求的不断提高,内燃机的振动和
噪声问题越来越引起人们的注意,内燃机缸体是内燃机的主体结构,在工作时与内燃机诸多零部件相连,承受着极为复杂的载荷。缸体的刚度结构和动态特性对内燃机的整体性能影响极为重要,对缸体进行模态分析有助于了解缸体的动态特性,从而为产品的设计改进提供可靠的依据。2 缸体的有限元建模
图1为柴油机缸体及缸套的有限元模型。建立有限元分析模型时,在不影响分析结果的前提下,可将模型简化。在图1中,曲轴主轴承及轴承盖被简化为整体轴承,由于考虑了气缸水套,所以应用了流固耦合的边界条件。整个模型的建立采用的是参数化建模语言(APD L )
,这样还可以进一步作优化分析。
图1 缸体的有限元模型
Fig .1 The finite element model of the block
缸体的三维实体模型在ANSY S 环境中构建,采
用映射和自由划分相结合,使用了多种单元类型。在建模及分析过程中采用了一右手坐标系,其Y 轴平行于气缸中心线,正方向向上;Z 轴平行于曲轴主轴承中心线,正方向向外。3 模态分析
目前有2种方法研究机械产品的动态特性:一是试验模态分析法;二是有限元分析法。本文用的是有限元分析法。
(1)有限元分析的基本理论和特点
一个实体模型,通常可看作是一个由质点、刚体、弹性体及阻尼器构成的自由度为无限多的系统。
为了便于分析,将其离散成为由S 个单元、n 个节
点构成的有限元模型,其数学模型
[M ]{¨x }+[C ]{ x }+[K ]{x }={f (t )}(1)式中
[M ]———质量矩阵;[C ]———阻尼矩阵;[K ]———刚度矩阵;{x }———位移;{ x }———速度;{¨x }———加速度;
f (t )———作用力。
有限元模型的固有频率与振型的特征方程为
([K ]-ω2
[M ]){
ω———角速度。它们满足下式
{
j [M ]{<}j =
ω2i
当i ≠j 当i =j (3)
有限元模型的动态分析关键是建立整体结构的
刚度矩阵[K ]和质量矩阵[M ],以及寻找一个合适的特征值及特征向量算法,而整体结构的刚度矩阵[K ]和质量矩阵[M ]已有标准算法。有关寻找特征值算法的方法很多,也各有特点,本文所采用的是子空间迭代法,其优点是算法容易标准化,且算法过程稳定,便于使用外存;若与分块直接法相结合可解高阶的、带宽相当大的带形矩阵的广义特征值问题。
(2)模态分析
整个模型的模态分析用ANSY S 软件来完成,分析得到了无约束和有约束情况的前22阶非刚体模态固有频率及相应的振型,并且做了对比分析。在分析过程中,假定机体模型是线性的而且未考虑结构阻尼,所需计算精度通过所谓的P 方法(即在不增加单元数目的情况下,通过提高单元形状函数及位移函数的阶次来提高计算精度)来达到。在分析中,在无约束状态共计算了22阶模态,其中包括6个刚
?
05? 煤 矿 机 械 2005年第8期
体模态及16个非刚体模态,在有约束状态下,共计算了22阶模态,全部为非刚体模态,如表1所示。
表1 频率数据
T ab .1 The frequency values
阶次无约束频率ΠH z
有约束频率ΠH z
第1阶0661204第2阶0110160第3阶0118190第4阶01000037251123第5阶01000108255107第6阶01000283261179第7阶176115265120第8阶239115271106第9阶248183274100第10阶259146275117第11阶262190321163第12阶266109349196第13阶273102360118第14阶273149454162第15阶326161494119第16阶335197520136第17阶379115536104第18阶409179570161第19阶417103589103第20阶439136618190第21阶466194624179第22阶
475187
630132
由表1可以看出,在无约束状态下,作自由模态分析时,前6阶振型为没有施加边界约束产生的刚体位移,对分析机体结构振动没有意义,可以忽略不计;而有约束时的前6阶振型限制了刚体位移,使其
各阶振型在固定振型的基础上考虑了底部固定约束的限制,显著提高了各阶固有频率,此特点也可从1～22阶云图体现出来。施加约束后振型是上半部刚度较好,相对变形较小,下半部变形较大。不同固有频率下的振型是不一样的,尤其是高频模态的振型相当复杂。各阶模态按约束状态可分为以下几类:
(1)无约束时的模态分析
基本模态包括机体的扭转和弯曲模态,从得到的22阶模态中看出,是2种模态的叠加,第12～16阶模态变性较大,主要是机体下部,机体上部没有明显的振动存在,如图2所示。
图2 无约束时机体模态振型图
Fig .2 The mode sh apes of the unconstrained modes
(2)有约束时的模态分析
在机体底部施加约束后进行了前22阶模态分析,前16阶主要还是基本模态的叠加。
有约束的高阶模态主要是主轴承箱的变形,这与实际中曲轴孔处和上下平衡轴孔处的轴承经常发生破坏相一致。从云图中看出,第18阶和第19阶模态变形发生在主轴承的两端,而且是相反的两端,第20阶和第22阶变形发生在中间的主轴承上,如图3所示。
图3 有约束时机体模态高阶振型图
Fig .3 The mode sh apes of the higher order modes
4 结语
从频率数据和云图可以看出,缸体振动幅值最大的部位和结构中刚度最差、最薄弱的环节,并且得出边界条件对缸体模态频率及振型有显著的影响,而且还看出有、无约束状态下的非刚体模态有一定的相似性。
参考文献:
[1]李俊宝,杨庆佛.柴油机机体振动响应有限元分析[J ].内燃机工程,1995,16(3):22-24.
[2]徐燕申.机械动态设计[M].北京:机械工业出版社,1992.
作者简介:张江林(1964-),河北邢台人,硕士,副教授,1986年毕业于山西矿业学院机械制造专业,曾在河北煤炭科学研究所从事辅助运输设备研究;现任邢台职业技术学院基础部主任,从事机电一体化教学与研究.T el :0319-*******,E -mail :xtzjl @https://www.wendangku.net/doc/3e18095990.html,.
收稿日期:2005203230
Modal Analysis of Four -cylinder I nline Diesel E ngine B lock
B ased on ANSY S
ZH ANG Jiang -lin 1
,ZH ANG Jian -ting
2
(1.X ingtai V ocational and T echnical C ollege ,X ingtai 054035,China ;
2.Machanical Engineering C ollege ,T aiyuan University of T echnology ,T aiyuan 030024,China
)Abstract :The m odal analysis of a four -cylinder inline diesel engine block is carried out using ANSY S s oftware in the
case of unconstrained m odel and constrained m odel at the bottom.It reveals the dynamic characteristics and provides nec 2essary guides for the dynamic optimal design of the multi -cylinder engine block.K ey w ords :diesel engine ;block ;m odal analysis ;finite element analysis
?15? 2005年第8期 四缸直列柴油机缸体模态分析———张江林,等