（机械电子工程专业论文）s385型柴油机机体结构动态特性分析及其改进.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 发动机是汽车的重要组成部分，其性能好坏直接影响着汽车行驶的安全性、操纵的 稳定性以及车内的噪声水平。作为汽车的重要组件之一，发动机除承受由其自身工作原 理决定产生的振动外还要承受因外部激励作用而产生的振动，当发动机的某阶模态频率 与外界激励频率较为接近时就会产生共振现象，从而导致其出现较大的弯曲、扭转变形， 影响其工作的可靠性以及汽车行驶的平顺性。 机体是发动机的主体结构，其自身结构和受力的复杂性决定了它是发动机的主要结 构和性能件，是直接影响发动机整机可靠性的关键部件，其刚度结构和动态特性直接影 响到发动机的动态特性、使用性能和工作的可靠性。因此对发动机机体进行强度分析和 动态特性分析就成为发动机产品设计开发中必不可少的重要环节。 本文针对$ 3 8 5 型柴油机机体的结构特点，将力学分析法、现代设计的有限元法和 计算机技术结合在一起对其进行了不同工况下的机体强度的分析和有限元理论模态分 析，利用先进的试验仪器和设备对其进行了动态特性的试验模态分析，并根据分析结果 对机体结构进行了相应的改进与优化。 1 利用三维建模软件p r o e 建立了$ 3 8 5 型柴油机机体的实体模型，总结了机体实 体建模的简化方法。通过大型有限元分析软件a n s y s 对机体进行了网格划分，得到了 机体的有限元模型，并对其进行了预紧工况和爆发工况下的有限元静力分析，得出了机 体相应工况下的位移、应力、应变云图，找到了机体结构的强度薄弱环节并据此提出了 相应的修改方案，为改善机体强度、改进机体的结构设计提供了理论依据。 2 根据$ 3 8 5 型柴油机机体的实际工作情况，利用有限元分析方法对其进行了自由 模态和约束模态的有限元理论分析，计算出了机体前1 5 阶自由模态和约束模态的固有频 率及相应振型，通过振型分析找到了机体振动的薄弱部位并提出了相应的修改措施，为机 体结构的改进设计及其动态响应分析提供了理论依据。 3 对$ 3 8 5 型柴油机机体采用频域模态参数识别方法进行了自由模态的试验模态分 析，对输出的脉冲响应信号进行了模态参数识别，并与自由模态有限元理论计算所得模 态参数进行了对比分析，结果表明有限元模型合理。 4 根据各分析结果对机体结构进行了相应的改进，并与改进前机体结构的动态特性 进行了对比分析，结果表明改进后机体结构动态特性比改进前有了较大改善，改进措施 比较合理。 本文的创新之处在于采用有限元理论分析与试验测试相结合的方法来研究$ 3 8 5 型 柴油机机体的相关动态特性，通过试验分析验证有限元理论分析的正确性并根据有限元 理论分析结果及相关试验数据对机体的有限元模型进行相应改进。 关键词：柴油机，机体，有限元，静力分析，模态分析 i i 山东建筑大学硕士学位论文 d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to f $ 3 8 5d i e s e l e n g i n eb l o c k l i ub o ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h e n gz h o n g - c a i a b s t r a c t t h ee n g i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ea u t o m o b i l e ，i t sp e r f o r m a n c e h a sad i r e c te f f e c tt ot h es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n dn o i s es t a n d a r do fam o v i n gc a l a sak e yp a r t o ft h ev e h i c l e ，e x c e p tt h ev i b r a t i o nt h ee n g i n ep r o d u c e sd u et oi t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，i ta l s o e n d u r e sv i b r a t i o nf r o me x t e m a le x c i t a t i o n i tw i l lp r o d u c er e s o n a n c ew h e nt h em o d e f r e q u e n c ya n de x t e r n a le x c i t a t i o nf r e q u e n c yo f t h es t e pc o m ec l o s e r , t h u sc a u s e sb i g g e rb e n d ， d i s t o r t i o nw h i c hw i l lh a v eb i gi n f l u e n c et ot h ew o r k i n gr e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n ea n d s m o o t h - g o i n go ft h ev e h i c l e t h ee n g i n eb l o c ki st h em a i nb o d yo ft h ee n g i n e ，i t sc o m p l e xs t r u c t u r ea n ds t r e s s s i t u a t i o nm a k ei tb et h ep r i m a r yp a r ta n dk e yc o m p o n e n tt ot h er e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n e i t s s t i f f n e s sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v ead i r e c te f f e c tt ot h eu s ec h a r a c t e r i s t i ca n dw o r k i n g r e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n e s ot h ei n t e n s i t ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sc o n d u c e d o nt h e e n g i n eb l o c kb e c o m ean e c e s s a r yt a c h et ot h ed e s i g no f t h ep r o d u c t s i nt h i sp a p e r , i n t e n s i t ya n a l y s i su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n df i n i t ee l e m e n t m o d a la n a l y s i sw e r ec o n d u c e do n $ 38 5d i e s e le n g i n eb l o c ka c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sb yt h ec o m b i n eo fm e c h a n i c sa n a l y t i c a lm e t h o d ，m o d e md e s i g nf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t e s tm o d a la n a l y s i sw a sd o n et oi tb yu s i n ga d v a n c e d e q u i p m e n t st og e ti t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds o m ei m p r o v e ds c h e m e sw e r eb r o u g h t f o r w a r d 1 t h es o l i dm o d e lo f $ 3 8 5d i e s e le n g i n eb l o c kw a se s t a b l i s h e db yu s i n gp r o ea n dt h e s i m p l i f i e dm e t h o dw a ss u m m a r i z e d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y sw a su s e dt o g e ti t sg r i n d i n gp a r t i t i o n , a n dp r e l o a d e da n de x p l o s i v ef i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i sw e r e c o n d u c t e do ni t t h ed i s p l a c e m e n t ，e q u i v a l e n ts t r e s sa n ds t r a i no f e a c hc o n d i t i o no ft h eb l o c k w e r eo b t a i n e d ，t h ew e a ks p o t so fi n t e n s i t yw e r ef o u n da n dc o r r e s p o n d i n gi m p r o v e ds c h e m e s i i i 山东建筑大学硕士学位论文 w e r eb r o u g h tf o r w a r d t h ea n a l y s i sr e s e t ss u p p l i e dat h e o r e t i c a ls u p p o r tt oi m p r o v et h e s t r u c t u r a li n t e n s i t ya n dd e s i g no ft h eb l o c k 2 f r e ea n dc o n s t r a i n tm o d a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw e r ec o n d u c t e do n $ 3 8 5d i e s e l e n g i n eb l o c kb yu s i n gf e aa c c o r d i n g t oi t sw o r k i n gc o n d i t i o n t h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d c o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e so ft h ef i r s t 15s t e p so ft h eb l o c kw e r ew o r k e do u t b yt h e a n a l y s i so fv i b r a t i o nm o d e s ，t h ew e a ks p o t so ft h eb l o c kw e r ef o u n da n dc o r r e s p o n d i n g i m p r o v e ds c h e m e sw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss u p p l i e da t h e o r e t i c a ls u p p o r t t oi m p r o v et h es t r u c t u r a ld e s i g na n dd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h eb l o c k 3 b yt h ew a yo ff r e q u e n c yd o m a i n m o d a lp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，f r e em o d a l e x p e r i m e n t a lt e s to f $ 3 8 5d i e s e le n g i n eb l o c kw a sd o n e t h em o d a lp a r a m e t e r sw e r e i d e n t i f i e db yo u t p u t t i n gi m p u l s er e s p o n s es i g n a l sa n dc o m p a r e dw i t ht h eo n eo b t a i n e db yf r e e m o d a la n a l y s i sd e p e n d i n go nf i n i t ee l e m e n tt h e o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e li sr e a s o n a b l e 4 s o m ei m p r o v e m e n t sw e r ed o n et ot h ee n g i n eb l o c ka n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f i tw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep r i m a r yo n e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee n g i n eb l o c ki m p r o v e di sb e t t e rt h a ni tb e f o r e ，t h ei m p r o v i n gm e a s u r e sa r er e a s o n a b l e u s i n gb o t ho ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n dt e s tm o d a la n a l y s i sm e t h o dt o r e s e a r c ht h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs 3 8 5d i e s e le n g i n eb l o c ki sai n n o v a t i o no f t h i sp a p e r , w ec a nv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb yt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a l t e s ta n da m e n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ee n g i n eb l o c kb yt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e n g i n eb l o c k ，f i n i t ee l e m e n t ，s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： j 扯日期批l 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：刍! j 盘日期迎2 ：么：21 导师 签名： 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术日新月异的发展和人民生活水平的逐步提高，汽车对人们的生活和工 作产生着越来越重要的作用。人们在对汽车需求量大幅度增加的同时，对汽车行驶的安 全性，操纵的稳定性，车内噪声水平等性能也提出了越来越高的要求。而汽车的心脏一 一发动机的动态特性对汽车的上述性能有着非常重要的影响。作为汽车的重要组成部分， 发动机除承受由其自身工作原理决定产生的振动外还要承受因外部激励作用而产生的振 动，当发动机的某阶模态频率与外界激励频率较为接近时就会产生共振现象，从而导致 其出现较大的弯曲、扭转变形，影响发动机工作的可靠性以及汽车行驶的平顺性【l 】。随 着发动机设计向着高速、大功率、低质量方向的不断发展，其振动问题日益突出，甚至 由于振动而引起严重事故。 机体是发动机的主体结构，是其它零部件的安装基础，也是在气缸盖和运动件之间 构成力传递的环节，在实际工作中既要承受各缸内气体对气缸盖底面和气缸表面的均布 气体压力，还要承受经活塞作用于各气缸壁的侧压力以及经曲轴施加在各主轴承座上的 作用力及力矩。其结构和受力的复杂性决定了它是发动机的主要结构和性能件，是直接 影响发动机整机可靠性的关键部件【2 5 】。另外，发动机所承受的各种原始的和诱发的二次 激振力都以不同形式最终作用在机体上，引起机体及其附着零部件的复杂振动并产生噪 声辐射，其刚度结构和动态特性直接影响到发动机的动态特性、使用性能和工作的可靠 性。因而对发动机机体进行强度分析和动态特性分析就成为发动机产品开发设计中必不 可少的重要环节。 通常的机体设计，主要是参考已有的机型进行相似设计，然后根据实物测试结果对 样机进行修改。在整个设计过程中，对其动态特性参数了解的非常少，因此所设计的产 品往往不能很好的满足设计要求，要经过设计一样机试验一修改这一过程反复进行才 能达到最终目的。这样不仅费用大，而且一新机型的产生周期也相当长。随着大型计算 机的产生，有限元技术的发展，计算机辅助设计已经成为可能，使得在设计阶段，借助 理论分析模型可以很好的实现动态参数分析，随时了解掌握所设计机体结构的动态特性， 从而大大减小设计费用、缩短设计周期【6 】。目前在发动机机体动态特性分析领域中包含 山东建筑大学硕士学位论文 两种方法，即有限元法与试验方法。 有限元方法的理论早在二十世纪初就已经产生，虽然经过不断的发展，但直到二十 世纪五十年代末随着计算机技术的出现才得到实际应用。有限元法在几何上通过节点或 单元来描述，把复杂的结构合理的划分为可以计算的微小单元，通过有限个单元的组合 求出由单元描述的结构整体行为。在有限元的物理数学描述中，一般有两种求解微分方 程的方法，即力法和位移法。其中，由于位移法可以满足动力学协调性的要求，并可借 助于与时间有关的位移矢量用于动态的和非线性问题的解决而得到了更为广泛的应用 【刀。对于静力学计算，有限元法通过求解线性方程组得到结构位移向量，再根据几何方 程和物理方程求出其应变和应力；而对于模态分析则须确定出结构刚度矩阵的特征值， 从而完成各动态参数的求解。有限元分析技术是发动机设计领域的一个强有力的设计工 具，在发动机复杂零部件尤其是机体的设计中较早地得到了应用，通过使用该技术不仅 提高了设计零部件的刚度及可靠性，还缩短了设计周期。 试验模态分析技术是近2 0 年来迅速发展起来的一种处理复杂结构动力学问题的有 效手段。它是一项通过试验来确定机械结构动态特性的模态分析技术，目标在于将机械 结构设计由经验类比和静态设计改为动态设计。振动模态分析和模态参数估计是振动工 程的重要分支，它综合运用振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数估计等方面 的知识，分析研究振动结构的动力学特性。试验模态分析技术将先进的测试技术、完善 的理论计算和计算机技术三者相结合，通过分析给结构提供更合理的质量分布依据，从 而以最少的原材料来达到构件刚度与强度的设计要求，是近年来解决大型复杂结构动力 学问题的有效方法，是实现机械结构动态设计、产品设计、故障诊断和结构修改的重要 手段【8 】【9 】。 在对发动机机体进行动态特性分析的过程中，可以通过有限元分析计算和实验测试 相结合的方法确定出机体上应力较大部位和机体结构的振动薄弱环节并针对于此对其模 型进行修正，从而得到含有参数的、直观的、精确的有限元模型。 1 2 国内外研究现状 当今世界科技水平飞速发展，作为技术和知识密集型产业的汽车工业一直都站在高 新技术发展和应用的最前端。随着计算机技术的不断发展和有限元方法的广泛应用，汽 车发动机机体设计与制造也步入了电子技术时代，有限元方法越来越广泛的应用在发动 山东建筑大学硕士学位论文 机机体设计领域，并凭借其高计算精度、广阔的解算能力、简单的应用方法和较低的设 计成本成功地为各种机体结构刚强度问题提供了极为优秀的解答成果，从而成为机体设 计的重要组成部分。目前世界上几乎所有的汽车公司和设计公司在进行汽车发动机机体 设计与制造时均将有限元技术列为设计常规，设计、分析、计算、改进成为设计开发的 必须过程，将有限元分析与试验模态分析技术相结合的动态设计技术已经在国内外汽车 发动机机体结构设计中获得工程实际应用。 1 2 1 研究方向在国外的发展状况 国外在利用有限元模型研究机体结构动态特性方面进行的较早，在8 0 年代初期就做 了大量的工作，现今已接近成熟的地步。美国的w a l t e ro t t 等人利用n a s t r a n 程序建 立了某四缸直列发动机机体的四种不同的有限元网格模型，随后分别对此四个模型进行 了自由模态分析，对比了它们各自所需的c p u 时间并与实际模态测试进行了比较，结果 证明使用板壳单元和实体单元相结合的模型较为合理【1o 】；德国大众公司的m b i r t h 和 s p a p e z 对某直列四缸水冷发动机机体进行了静强度和模态分析，并在动态分析的基础上 预估了机体表面的辐射噪声】；比利时l m s 公司、奥地利a v l 公司将有限元分析技术 应用到实际工程设计中，借助其强大的试验能力，在分析确定机体激励力方面取得了重 大进展，使得通过计算机模拟得出的动态响应结果同实际情况相当接近【1 2 】；美国汽车工 程师协会、辛辛那提大学等很多研究机构就发动机机体有限元模型的建立作了很多相关 研究，并发表和公布了大量研究成果，特别是结合静态分析和试验模态分析等方法，在 修正和完善机体的有限元分析模型方面取得了突出的成效，他们将这些模型应用到实际 分析计算中，得到了比较接近实际的结果1 3 】【1 4 1 。除此之外，世界上其他的主要柴油机生 产厂商如m t u 、t o y o t a 、n i s s a n 等也广泛开展了柴油机零部件的有限元分析，分析 的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，涵盖了所有需要分析的零件。 目前，很多公司已经将计算机模拟分析作为机体开发设计流程中必不可少的环节， 而且对其有限元模型的建立及激励力的确定都有明确的要求和说明。 1 2 2 研究方向在国内的研究和发展状况 在国内，对机体进行动态特性分析是最近十几年才慢慢发展并成熟起来的。最初，由 于国内计算机硬件水平和有限元分析软件的限制，对机体一般只能做二维有限元分析， 即将机体中受力最大的横隔板单独取出，然后按照平面受力状态对其进行计算。这种计 算方法虽能得到该横隔板的应力分布情况，但反映不出机体其他部分对横隔板的影响， 山东建筑大学硕士学位论文 更反映不出机体总体的刚度水平和动态特性，因而误差较大【l s l 。随着近几年计算机水平 的发展以及国外优秀有限元软件的引进，国内学者们也开始了机体有限元的三维静态分 析。 9 0 年代，国内学者们对某些发动机机体进行了大量的三维有限元静力分析工作，总 结出了整套关于机体实体建模、单元选择、网格划分以及边界条件和载荷施加的正确 方法，成果比较显著。随着对发动机机体研究的深入，人们逐渐发现绝大多数发动机机 体都有足够的强度，但刚度往往不足，由此导致机体振动强烈、外表面辐射噪声严重， 因此对机体的研究也由有限元静力分析逐渐转向了刚度分析和动态特性分析。 在发动机机体动态特性分析的研究中，辽宁工学院的段敏等人利用p r o e 三维软件 和i - d e a s 有限元软件建立了c y 4 1 0 2 b z q 柴油机机体的实体模型和有限元模型，对机 体进行了模态分析计算，获得了机体的基本振型和相关频率并根据分析结果对其提出了 相应的改进措施【1 6 1 ；邵阳学院的刘玉梅等人结合试验模态与有限元理论模态分析的方 法，对s f 4 8 0 型发动机的机体进行了动态特性的研究，通过理论模态与试验模态参数的 对比验证了结果的有效性并分析了机体模态的规律，为该类型发动机的机体结构优化提 供了一定的参考依据【1 7 1 ；太原工业学院的杨庆佛等人在v a x 2 7 8 5 计算机系统上利用 s a p 6 结构分析程序改进了b e r m a n 修正法，在试验模态分析结果的基础上建立了 z h l 0 5 w g 型柴油机机体较为准确的有限元分析模型，对机体进行了自由模态和约束模 态的有限元计算并根据计算结果对机体局部结构提出了改进措施，结果较为理想【1 8 】；南 通柴油机股份有限公司的姜峰等人对8 1 3 5 型柴油机机体样机进行了试验模态分析，并在 此基础上进行了模拟特定工况下的受迫响应分析和计算，得出了机体的动态特性参数和 特定工况下的响应变形，据此对8 1 3 5 型柴油机机体进行了修改【1 9 1 。这些成果对于本课 题的研究具有重要的帮助。 总之，目前在发动机设计领域，对机体的动态特性有限元分析和试验模态分析在国内 和国外都已取得了一定的成果，用试验模态分析结果修正有限元模型的方法在机体有限 元建模上已得到实际应用，这也为进行机体动力响应计算奠定了基础。 1 3 课题研究的内容和创新点 本课题以$ 3 8 5 型柴油机机体为研究对象，根据其具体结构特点和工作特性研究适 合该发动机机体结构的实体建模方法、有限元网格划分方法、有限元静力分析方法以及 动态特性理论和试验模态分析方法，并对该发动机的机体结构优化设计和改进提出可行 山东建筑大学硕士学位论文 性措施。具体研究内容如下： ( 1 ) 利用p r o e 和a n s y s 软件对$ 3 8 5 型柴油机机体分别进行实体模型和有限元模 型的建立，找到合适的机体结构有限元模型生成方法。 ( 2 ) 应用a n s y s 软件对$ 3 8 5 型柴油机机体进行预紧工况、一缸爆发工况和二缸爆 发工况的有限元静力分析，找出机体结构的强度薄弱环节。 ( 3 ) 应用a n s y s 软件对$ 3 8 5 型柴油机机体进行有限元自由模态和约束模态分析， 找出机体结构的刚度薄弱环节。 ( 4 ) 对$ 3 8 5 型柴油机机体进行自由模态试验模态分析并与自由模态的有限元理论分 析结果进行对比分析，验证有限元模型的合理性。 ( 5 ) 对$ 3 8 5 型柴油机机体结构进行相应的改进与优化并与改进前的机体结构动态特 性进行对比分析，验证改进措施的合理性。 本课题的创新之处在于采用有限元理论模态分析与试验模态分析相结合的方法来研 究$ 3 8 5 型柴油机机体的相关动态特性，通过试验分析验证有限元理论分析的正确性并根 据有限元理论分析结果及相关试验数据对机体的有限元模型进行相应改进。具体创新内 容如下： ( 1 ) 研究出适合$ 3 8 5 型柴油机机体结构的实体建模方法。该柴油机机体结构比较复 杂，在进行实体建模的过程中不可能将所有因素全部考虑进去，否则模型过于复杂势必 会导致接下来的网格划分困难。为此，必须结合机体结构的特点和实际工作情况对其进 行必要的简化，找到适合该机体的实体建模方法，使之在保证后续工作可以顺利进行的 情况下尽可能接近实际结构。 ( 2 ) 研究出适合$ 3 8 5 型柴油机机体结构的有限元网格生成方法。有限元模型建立的 几个关键问题包括单元类型的选择、网格尺寸的控制、网格划分密度、单元的阶数等。 进行有限元网格划分时，必须对上述问题进行详细的考虑，选择正确的单元类型和合理的 网格划分方法。而网格密度直接影响到计算结果的精度和计算规模的大小，一般来说， 网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量 时应仔细权衡这两方面因素的影响，找到合适的机体结构有限元模型生成方法。 ( 3 ) 研究出适合$ 3 8 5 型柴油机机体结构的有限元理论分析方法。首先对$ 3 8 5 型柴 油机机体进行有限元静力分析，对边界条件及载荷的正确施加方法进行研究，通过分析 找出机体结构应力过大或过于集中部位，并对其进行修改，避免产生强度薄弱环节。然 山东建筑大学硕士学位论文 后对该机体进行有限元模态分析，找出合适的模态提取方法、模态提取阶数和扩展数、 质量矩阵形成方式并考虑有无预应力影响等，通过求解得到机体相应阶数的模态固有频 率和振型，从而了解机体结构的动态特性，找出机体结构的刚度薄弱环节。 ( 4 ) 研究出适合$ 3 8 5 型柴油机机体结构的试验模态分析方法。在进行试验模态分析 的过程中，须对机体所采用的几何模型建立方法、激振方法、固定方法、激振信号的选 择及施加方法、数据采集及模态参数识别方法等进行系统的研究与考虑，找到适合该柴 油机机体的试验模态分析方法； ( 5 ) 通过对$ 3 8 5 型柴油机机体结构的有限元静力分析、理论模态及试验模态分析， 找出结构存在的薄弱环节，为机体结构改进提供依据。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章$ 3 8 5 型柴油机机体有限元模型的建立 2 1 有限单元法基本原理及步骤 有限单元法是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实 际问题有力的数值计算工具，是将弹性力学、计算数学和计算机软件有机结合起来的一 种数值分析技术。有限元法的基本思想是：把具有无限自由度的连续系统近似等效为只 有有限自由度的离散系统，通过构建大量足够小的单元来将物体内连续变化的待求参数 ( 温度或位移) 用单元结点处的该参数表示出来，而后根据变分原理或最小位能原理解得 各单元的待求参数，从而解得物体整体的温度或位移。由于单元可以被分割成各种形状 和大小不同的尺寸，所以它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边 界条件，可以使复杂的空间问题转化为适合于数值求解的数学问题f 2 0 】 2 1 】。在当前的工程 技术领域，有限单元法以其理论基础坚实、实用性极强等突出优点而被公认为最有效的 数值方法，其具体特点可概括如下【2 2 】： ( 1 ) 对于复杂几何模型的实用性：由于单元在空间上可以是一维、二维或三维的， 而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以采用不同的连接方式，所以，工 程实际中遇到的复杂结构和构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。 ( 2 ) 对于各种物理问题的适用性：由于单元内近似函数分片的表示全求解域的未知 场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相 同的形式，因此它适用于各种物理问题，如线弹性问题、弹塑性问题、动力问题、流体 力学问题、热传导问题等等，而且还可用于各种物理现象相互耦合的问题。 ( 3 ) 建立于严格理论基础上的可靠性：因为用于建立有限元方程的变分原理或加权 余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题的数学 模型是正确的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单元数目的 增加( 即单元尺寸的缩小) 或者是单元自由度数的增加( 即插值函数阶次的提高) 有限 元解的近似程度就会不断被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后收敛于原 数学模型的精确解。 ( 4 ) 适合计算机实现的高效性：由于有限元分析的各个步骤可以表示成规范化的矩 阵形式，所以最后求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和 执行。随着计算机硬件技术的高速发展及新的数值算法的不断出现，大型复杂问题的有 限元分析已成为工程技术领域的常规工作。 山东建筑大学硕士学位论文 对固体力学来说，单元节点上的未知量可以是广义位移( 位移，转角等) ，也可以是 广义力( 应力，内力等) ，或者是它们二者的混合，所以固体力学有限元法按求解时的基 本未知量可分为力法、位移法、混合法和杂交法。下面以位移法为例介绍一下有限单元 法的典型步骤【2 3 】： ( 1 ) 结构离散化。结构有限元分析的第一步是将结构进行离散，即用假想的线、面 或体将连续体分割成数目有限的单元，并在其上设定有限个节点，用这些单元组成的单 元集合体代替原来的连续体。结构离散化的程度即单元划分的粗细是根据其具体结构特 点和受力情况而定的，单元划分的细，计算精度就高，但所费计算机时也相应增加。通 常在应力变化急剧的部位单元划分得细些，其余地方的单元可以适当放大，但单元大小 的过渡要均匀。 ( 2 ) 选择位移函数。给每个单元选择合适的位移函数来近似地表示单元内位移分布 规律，即通过插值以单元节点位移表示单元内任意点的位移。因节点位移个数是有限的， 故无限自由度问题被转变成了有限自由度问题。在有限单元法中普遍地选择多项式作为 位移函数，其原因是多项式的数学运算比较简单，其理论依据则在于精确解总是能够在 任一点的邻域内由多项式逼近。对所选位移函数的主要要求是： 单元内应当连续，相邻单元之间应满足变形的协调性要求。 应当包含刚体运动项，因为离散化后的某些单元在结构受力后可能没有应变而只 做刚体位移。 应当包含恒应变项，即当单元划分的很小时，它的应变应趋于一个确定值。 上述所列第一项为协调性要求，第二、三项属于收敛性要求。 选择位移函数以后，单元内任意点的位移可由单元节点位移表示为： 口= 【l 2 、。】口8 = n a 8 ( 2 1 ) 其中，是插值函数，它们决定单元位移场的基本形态，且只与单元形状、节点配 置及插值方式有关，故通常称为形函数，为形函数矩阵，a 8 为单元结点位移列阵。对 于不同的单元类型，可由单元节点坐标值唯一确定。 ( 3 ) 分析单元的力学特性。选择位移函数之后，利用几何方程、物理方程推出以节 点位移表示的单元应变关系式和单元应力关系式，然后再利用应变能的概念推导出单元 刚度矩阵。单元刚度矩阵是组成总刚度矩阵的基础，所以是单元力学特性中最重要的内 山东建筑大学硕士学位论文 容。其中，以单元节点位移表示的单元应变为： s 2 【骂b 2 、暖】口。= b a 8 ( 2 2 ) 式中，b 为应变矩阵，其分块子矩阵e 可由唯一确定。应变矩阵的元素为常数， 因此单元应变自然也是常数。 以单元节点位移表示的单元应力为： 仃= d e = d b a 8( 2 3 ) 式中，d 为弹性矩阵，其矩阵元素为常量。 为了获得单元刚度矩阵，现在来导出用节点位移表示节点力的表达式。假想在所分 析的单元中( 以四面体单元为例) 发生了虚位移，相应的节点虚位移为6 口8 ，引起的虚 应变为。因为每一个单元所受的载荷都已经移置到节点上，所以该单元所受的外力只 是节点力r ，这时虚功方程可表示为： & a 。r f 2 = 甜r 胪r d b a 8 d x d y c l z ( 2 4 ) 矿 注意到矩阵召、d 的元素为常量，由上式可以得出： f 。= b r d b v a 。：k 8 a 。( 2 5 ) 其中k 。= b r d b v ，称为单元刚度矩阵。 ( 4 ) 计算等效节点力。经过离散化后，假定力是从一个单元传递到另一个单元的， 这就需要把实际作用在单元边界上的表面力以及作用在单元上的体力、集中力等都要按 虚功等效原理移置到节点上去，组成节点载荷列阵。 ( 5 ) 用变分原理推导出有限元法方程组。有限元法方程组的作用是把结构上的节点 载荷列阵与所有节点位移通过总刚度矩阵联系起来，而总刚度矩阵是由所有的单元刚度 矩阵叠加而成的。对于离散模型，系统位能是各单元位能之和，其表达式可表示为： 兀尸司ri 1 ( g 7 k 。g ) a - a t ( g p ) ( 2 6 ) 厶e p 其中置8 = b 7 d b d v ，p p 2 巴。+ p ，分别为单元刚度矩阵和单元等效结点载荷列阵。 令置= g 7 k 。g ，p = g 7 p 。，置和尸分别称之为结构整体刚度矩阵和结构结点载荷 p p 列阵。则此时，上式可表示为： 山东建筑大学硕士学位论文 兀尸= i 1a z k a - a r p ( 2 7 ) 由于离散形式的总位能兀。的未知变量是结构的结点位移口，根据变分原理，泛函 i - i p 取驻值的条件是它的一次变分为零，即望三l ：。这样就得到有限元法的求解方 程组： k a ：p ( 2 8 ) ( 6 ) 求解线形方程组。通过求解线形方程组就可得到所有节点的位移，求出节点位 移后即可根据几何方程和物理方程计算出节点的应变和应力。 2 2 机体实体模型的建立 $ 3 8 5 型柴油机机体是一个经铸造、机加工后得到的箱体式结构，机体长3 6 2 m m ，宽 2 6 4 m m ，高3 5 1 m m ，其上布有各种加强筋、凸台、轴承孔、水道和油道孔，内部置有气 缸孔和各种纵、横隔板，形状较为复杂。在利用p r o e 软件建立其实体模型的过程中， 考虑到如果对其每一部分特征都进行精确建模势必会导致接下来的实体模型导入及有限 元网格划分困难，因此并没有对每一个细节都一一考虑。综合考虑计算精度的影响及有 限元模型的计算规模，根据圣维南原理【10 1 ，对部分特征进行了如下简化： ( 1 ) 忽略机体内部细小油道孑l 和水道：这类细小孔洞在划分网格时由于其单元边长 较小，为与之协调，其相邻区域单元边长也将较小，结果势必导致单元总数成倍增加， 计算时间呈几何级数增长。 ( 2 ) 忽略机体上对应力分布影响不大的铸造圆角。 ( 3 ) 忽略除机体以外的小螺栓孔，缸盖处螺栓孔用圆孔代替：该机体在工作过程中 依靠输出端及曲轴箱前后两侧壁三角支撑位置所加螺栓固定在车架上并主要受到缸盖螺 栓预紧力、气体爆发压力引起的缸盖螺栓对机体的作用力以及经曲轴施加在各主轴承孔 上的作用力及力矩的作用，其他的轴承孔凸台和观察孔盖上螺栓的作用力很小，可忽略 不计。 进行机体实体建模时，首先进行机体轮廓的建立。$ 3 8 5 型柴油机机体外形的创建是 整个建模的关键，以后进行的各项操作都是在这一基础上通过加减特征完成的，由此它 也被称之为父特征【2 4 1 。建模时，首先进入草绘平面，在草绘平面内绘制机体的一个端面 外形，草绘完成之后，拉伸草绘的端面外形为机体的长度即完成了机体外形的建立。在 此，由于机体端面形状不规则，当草绘完成后，点击完成按钮时可能出现提示截面不完 山东建筑大学硕士学位论文 整的对话框，这主要是由于所绘草图不封闭所致。检查所绘图形中是否存在没有接合的 线段或者是利用“修剪工具进行线段修剪时残留了多余的线头，通过修改即可解决上 述问题。完成后的机体轮廓如图2 1 所示。 图2 1s 3 8 5 型柴油机机体轮廓图2 2 $ 3 8 5 型柴油枳却体缸体模型 完成机体外形轮廓后，在对机体缸体部分进行创建的过程中需完成气缸孔、气缸孔 水道、安装凸台及缸体外形的建立。气缸孔的建立是在机体轮廓的基础上通过削减材料 来完成的，草绘时选气缸孔的前后对称平面为草绘平面，绘制旋转中心线和气缸圆柱部 分的旋转特征线段，通过旋转去除实体材料可得一缸孔，再应用复制、镜像命令完成其 它两孔的建模。环绕气缸的水道在机体的前后部分分布不对称，造型时需对其切削拉伸 特征进行仔细的绘制。此水道距缸体上平面l o m m ，因此选择距上平面l o m m 处作为草绘 平面的基准面，又由于水道的截面形状不规范，这样在建造切削拉伸特征时就需应用直 线、多义线和圆弧等命令交错使用来完成拉伸特征的绘制，从而通过指定拉伸深度切除 实体材料完成水道模型的建造。安装凸台的建立是在机体缸体外形建模完成之后进行的， 建模时考虑到缸体沿宽度方向前后对称的特性可首先对缸体其中一个端面进行凸台实体 建模，而后采用复制、镜像操作得到另外一端的凸台实体模型。生成的机体缸体模型如 图2 2 所示。 机体曲轴箱部分模型的建立是整个机体实体建模过程中最为复杂的一步，包括机体 内腔、隔板、主轴承孔凸台以及凸轮轴轴孔的创建。其中，内腔是在机体底部通过切除 材料而获得的，草绘时选机体底平面为草绘平面按内腔尺寸绘制三个矩形轮廓，通过指 定拉伸深度切除实体材料完成三个内腔的建立。内腔模型完成以后，在所形成的各腔隔 板上分别通过拉伸切除材料的方法实现主轴承孔凸台的创建。其中，第二、三隔板的主 山东建筑大学硕士学位论文 轴承孔凸台形状相同，可在其中个隔板的一个端面创建凸台模型而后复制、镜像至其 它端面；而第一跟第四隔板主轴承