（动力机械及工程专业论文）柴油机机体和油底壳振动噪声分析与减振设计.pdf

、 一i 、 2 ，卜 0 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广话大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 敝储签名嘲冲舨 加细年易月7 尹日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 五日爵发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 糍：嚼椒聊始易哞1 翥尹舌月冲日 懈b 柴油机机体和油底壳振动噪声分析与减振设计 、 摘要 本文根据玉柴动力公司的y c d 4 8 11 型柴油机减振项目研究的要求，采 用模态分析方法研究机体和油底壳的动态特性，再以有限元法对柴油机组 合结构进行了动态响应分析，并对机体和油底壳进行了结构改进，达到了 降低柴油机表面振动噪声的效果。具体研究工作如下： 1 、使机体处于自由支撑状态，采用单点激励、多点拾振的测试方法， 对机体进行试验模态分析，获得了机体的前2 0 阶模态频率、模态阻尼以及。 前6 阶振型。机体的前6 阶模态主要包括基本整体模态( 整体扭转、弯曲 模态) 、曲轴箱模态。通过试验结果可知机体的刚度不均，机体上部刚度大， h 裙部刚度小。 l 2 、用a n s y s 建立了柴油机机体的实体和有限元模型，并对机体进行有 限元自由模态分析，得出机体的前2 0 阶非刚体模态频率和各阶振型，并与 试验模态分析结果进行对比，从固有频率和模态振型上验证了有限元计算 结果的正确性。除了获得与试验结果相同的基本整体模态和曲轴箱模态外， 还获得机体主轴承和机油冷却器板处的局部模态。此外还建立了油底壳的 有限元模型，对其进行了自由模态分析，提取了油底壳前1 0 阶非刚体模态， 得出油底壳的浅底面和两边侧板刚度小，存在密集的局部模态。 h 3 、计算了在标定工况下作用在y c d 4 b i i 柴油机上最主要的缸内燃气压 1 力，活塞侧向力和主轴承载荷。建立了机体和油底壳等部件的组合结构有 限元模型，将计算所得到激振力加载在该有限元模型上，并对该结构进行 ，鼋 、 动态响应计算，获得了组合结构各部分的振动速度和加速度，并通过实测 数据验证了计算结果的合理性。最后通过求组合结构两侧面各划分区域振 动速度均方根值来评价各区域的振动大小，并进行噪声预测计算，得出油 底壳侧板和机体裙部对应于第3 、4 主轴承处为振动噪声最大部位。预测得 到柴油机组合结构两侧面的平均声压级为1 0 5 5d b ，声功率级为1 0 0 4d b 。 4 、在前文模态分析和动态响应分析的基础上，分别对机体和油底壳进 行了结构改进。 ( 1 ) 在机体的裙部底部增加了梯形框架结构加强板，再对改进结构后 机体进行有限元模态分析，结果表明增加加强板后机体固有频率有了很大 提高。同时对机体改进结构后的组合结构进行动态响应计算，对比改进前 后的结构表面振动速度。结果表明加强板使油底壳侧面和机体裙部对应于 第3 、4 主轴承处的振动速度有效值降低达2 5 一3 0 。通过噪声预测，梯形 框架加强板使组合结构左右两侧平均声压级和声功率级都降低了2 d b 左右。 ( 2 ) 对油底壳的改进措施为增加其厚度并在左右侧板及浅底面增加凹 槽结构。对改进后的油底壳进行模态分析，得到油底壳侧板和浅底面刚度 增大很多，固有频率大幅升高。通过对油底壳改进结构后的组合结构进行 动态响应计算，结果表明改进结构使油底壳左右侧板和浅底面振动速度有 效值降低在2 0 3 0 左右，后端侧板降低幅值达5 5 。通过噪声预测，改进 后整个油底壳噪声辐射平均声压级和声功率能降低2 d b 。 关键词：柴油机振动噪声模态分析有限元法动态响应分析 。 l 1 n o i s ea n dv i b r a t i o na n a l y s l s a n dv i b r a t i o n r e d u c t i o nf o rc y l i n d e rb l o c k a n do i lp a no f d i e s e le n g i n e a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi sb a s e do n t h e p r o j e c to fv i b r a t i o nr e d u c t i o nf o r y c d 。4 b 11 一t y p ed i e s e le n g i n eo f y u c h a ip o w e rc o m p a n y d y n a m i cb e h a v i o ro f c y l i n d e rb l o c ka n dt h eo i lp a nw e r er e s e a r c h e dt h r o u g h m o d a la n a l y s i s ，a n dt h e n t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a s d o n ef o rc o m p o s i t e s t r u c t u r eo fd i e s e le n g i n e b e s i d e s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nw a sd o n em rc y l i n d e r 一 一 一一一 b l o c ka n do i lp a nt or e d u c es u r f a c ev i b r a t i o na n dr a d i a t i n gn o i s eo ft h ed i e s e l e n g i 。n e i nd e t a i l t h em a i nr e s e a r c hw o r k i sa sf o l l o w s ： 1 t h ec y l i n d e rb l o c kw a ss u p p o r t e df r e e l y , a n de x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s f o rc y l i n d e rb l o c kw a sd o n eb yt h em e t h o do fs i m o t h ef i r s t2 0o r d e rm o d a l f r e q u e n c i e s ，m o d a ld a m p i n g ，f i r s t6o r d e r m o d a ls h a p e sw e r eo b t a i n e d t h ef i r s t6 o r d e rm o d a ls h a p e so ft h ec y l i n d e rb l o c ka r em a i n l yi n c l u d ef u n d a m e n t a lm o d e ( t o r s i o n ，b e n d i n gm o d e ) ，c r a n k c a s em o d e r e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t i f f n e s so f t h e c y l i n d e rb l o c ki su n e v e n ，t h eu p p e rp a r ti sh a r d ，a n d t h eb o t t o me n dp a r ti sw e a k 2 t h es o l i dm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc y l i n d e rb l o c kw e r e b u i l tb y a n s y s f r e em o d a la n a l y s i sf o rc y l i n d e rb l o c kw a sc a r r i e do u t ，a n dt h ef i r s t2 0 o r d e rm o d a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so ft h ec y l i n d e rb l o c kw a so b t a i n e d c o m p a r i s o n sw e r em a d ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sr e s u l t sa n d t h e o n e so b t a i n e df r o mf e ma n a l y s i s c o m p a r i s o n ss h o w st h a ta c c u r a c yo ft h e f i n i t ee l e m e n tm o d e li sg e n e r a l l ya d e q u a t eb a s eo nt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d m o d a ls h a p e s b e s i d e st h es a m em o d eo ft h et e s tr e s u l t s ，t h el o c a lm o d eo f b e a r i n ga n do i lc o o l e rb o d yf i x e dp l a t ew e r ea l s oo b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fo i lp a nw a sb u i l ta n df r e em o d a la n a l y s i sw a sd o n ef o ri t t h e f i r s t10n o n r i g i dm o d ew a so b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts h a l l o wb o t t o ma n d i i i 峰髻。 ，鼽q”坩 s i d e so ft h eo i lp a na r ew e a k ，t h el o c a lm o d eo f t h e mi si n t e n s i v e 3 t h em a i ne x c i t i n gf o r c eo fy c d 4 b 11d i e s e le n g i n ei n c l u d i n gc y l i n d e r p r e s s u r e ，p i s t o ns i d e f o r c ea n dm a i nb e a r i n gl o a da tr a t e dc o n d i t i o n w a s c a l c u la c e d t h e nf m i t ee l e m e n tm o d e lo f ad i e s e le n g i n ec o m p o s i t es t r u c t u r ew a s b u i l t ：t h ee x c i t i n gf o r c ew a sa p p l i e do nt h i sm o d e la n dd y n a m i cr e s p o n s e a n a l y s i sw a sd o n ef o rt h i ss t r u c t u r e v i b r a t i o nv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no f t h e c o m p o s i t es t r u c t u r ea r eo b t a i n e d t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sa r ev e r i f i e dt ob e r e a s o n a b l eb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i no r d e rt oe v a l u a t et h ev i b r a t i o nl e v e l o nd i f f e r e n ta r e a so ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，r o o tm e a ns q u a r ev a l u eo f v i b r a t i o n v e l o c i t yw a sc a l c u l a t e d t h en o i s ep r e d i c t i o nw a s a l s od o n e t h er e s u l t ss h o w t 1 1 a tt h em o s ti i l t e n s ev i b r a t i o na n dn o i s er a d i a t i n ga r e a sa r et h et w os i d e so f o i l p a na n dc y l i n d e rb l o c ks k i r tw h i c hi sa d j a c e n tt ot h e3 r da n d4 t hm a i nb e a r i n g r e s u i t o fn o i s ep r e d i c t i o ni st h a tt h es o u n dp r e s s u r el e v e li s 10 5 5 d ba n ds o u n d p o w e rl e v e li s10 0 4 d bf o rt h es i d e so f d i e s e lc o m p o s i t es t r u c t u r e 4 b a s e do nt h er e s u l to fm o d a la n a l y s i sa n dd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ， s t r u c t u r a li m p r o v e m e n t sf o rc y l i n d e rb l o c ka n do i lp a nw e r e c a r r i e do u t ( 1 ) t h e 1 a d d e rf r a m es t i f f e n e rw a sa d d e dt ob o t t o mo ft h ec y l i n d e rb l o c k s 1 ( i r t a n dt h e nf i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i si sd o n ef o rt h ei m p r o v e dc y l i n d e r b l o c k r e s u l ts h o w st h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ec y l i n d e rb l o c ki n c r e a s e d d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sw a sd o n ef o rt h ei m p r o v e dc o m p o s i t es t r u c t u r e w h e n c o m p a r et h ev i b r a t i o nv e l o c i t yr e s u l t sb e t w e e n t h ei m p r o v e ds t r u c t u r ea n d o r i g i n a ls t r u c t u r e r m sv a l u eo f v i b r a t i o nv e l o c i t yf o rt h ec y l i n d e rb l o c ks k i r t a r e a sa d j a c e n tt ot h e3 r da n d4 t hm a i nb e a r i n ga n dt h et w os i d e so f o i lp a ni s r e d u c e db y2 5 3 0 b a s e do nt h en o i s ep r e d i c t i o n ，t h ea v e r a g es o u n d p r e s s u r el e v e la n ds o u n dp o w e rl e v e lf o r l e f ta n dr i g h ts i d e so fc o m p o s i t e s t m c t l l r ew i t hl a d d e rf l a m ei s2 d bl o w e rt h a no r i g i n a ls t r u c t u r e ( 2 ) t h ei m p r o v em e a s u r e sf o ro i lp a n a r et h a ti n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so f i t a n da d d i n gg r o o v es t r u c t u r e st ot h el e f ta n df i g h ts i d e sa n dl o w e rb o t t o mo f i t m o d a la n a l y s i sw a sd o n ef o rt h ei m p r o v e do i lp a n r e s u l ts h o w st h a t t h e i v 、犯、0。q 、； 、 o s t i f f n e s sa n dn a t u r a l 仔e q u e n c yo ft h ei m p r o v e do i lp a ni si n c r e a s e d d y n a m i c r e s p o n s ea n a l y s i sf o rt h ei m p r o v e do i lp a nw a sd o n e t h er e s u l t i st h a tr m s v a l u eo fv i b r a t i o nv e l o c i t yo fl e f ta n df i g h ts i d e sa n dl o w e r b o t t o mi sr e d u c e db y 2 0 30 ，t h er m sv a l u eo fv i b r a t i o nv e l o c i t yo fb a c k e n ds i d ei sr e d u c e db y 5 5 b a s e do n 也en o i s ep r e d i c t i o n ，a v e r a g es o u n dp r e s s u r el e v e l a n ds o u n d p o w e rl e v e lo fi m p r o v e do i lp a ni sa b o u t2 d b l o w e rt h e no r i g i n a lo i lp a n k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；n o i s ea n dv i b r a t i o n ；m o d a la n a l y s i s ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s v 飞。呵 目录 摘暑荽i a b s t r a c t i i i 第一章绪论。1 1 1 课题研究的背景和意义。1 1 2 国内外柴油机振动噪声的研究状况4 1 3 本课题的主要研究内容6 第二章机体的试验模态分析7 2 1 机体试验模态分析的目的7 2 2 机体试验模态分析的理论基础：7 。 2 3 参数识别9 2 4 机体的模态试验1o 2 4 1 机体支撑方式：10 2 4 2 激振方式1 1 2 4 3 测点布置与激振点的选择1 2 2 4 4 测试系统配置1 3 2 4 。5 测点传递函数的测量1 4 2 4 6 试验结果及分析1 4 2 5 本章小结- _ 1 6 第三章柴油机机体与油底壳的有限元模态分析一1 8 3 1 有限元动力分析基本理论1 8 3 1 1 有限元法概述1 8 3 1 2 结构动力分析有限元法1 9 3 2 有限元软件a n s y s 简介2 2 3 3 机体的有限元模态分析2 2 3 3 1 机体有限元模型的建立2 2 3 3 2 有限元模态计算和结果验证2 3 3 4 油底壳有限元模态分析2 8 3 5 本章小结3 0 v i 第四章柴油机组合结构的动态响应有限元分析。3 l 4 1 柴油机组合结构动态响应分析的目的3 1 4 2 动态响应分析理论基础31 4 3 柴油机主要激振力的计算3 2 4 3 1 缸内燃气压力：3 2 4 3 2 活塞侧向力和主轴载荷3 3 4 4 柴油机组合结构的有限元模型的建立3 8 4 5 边界条件和激振力的加载3 9 4 6 动态响应计算及结果分析。4 3 4 6 1 动态响应求解4 3 4 6 2 结果分析4 3 4 6 3 计算结果与实测结果对比4 9 4 7 表面辐射噪声预测5 2 4 7 1 表面振动与表面噪声辐射的关系5 2 4 7 2 表面辐射噪声预测一5 4 4 8 本章小结5 5 第五章。柴油机结构振动噪声改进设计5 6 5 1 机体裙部的改进设计5 6 5 1 1 机体增加加强板后模态分析_ 5 8 + 5 1 2 增加加强板后组合结构动态响应计算与结果分析：6 0 5 2 油底壳结构改进设计6 4 5 2 1 油底壳改进设计及模态分析6 4 5 2 2 油底壳改进设计后动态响应分析与结果分析j6 6 5 3 本章小结6 9 第六章总结与展望。7 0 6 1 总结7 0 6 2 展望7 l 参考文献：7 2 致 谢7 5 攻读硕士期间发表的学术论文7 6 v i i 、 g - 西大掌硕士掌位论文柴油机机喇畸口油底壳振动噪声分析与减振设计 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着对环境要求的不断提高，汽车噪声问题越来越引起人们的注意，环保法规对汽 车噪声的限制越来越严格。汽车的排放和噪声污染是我国城市主要污染源之一。发动机 是汽车噪声的主要来源，在汽车加速时，超过5 0 的噪声来自于发动机，发动机的噪声 控制已是目前发动机研究的重点之一。在工业发达的国家，早在6 0 年代就对汽车噪声 给予了足够的重视，制定了一系列的法规标准。在欧美国家，7 0 年代开始每3 5 年就修 改一次法规标准，不断减低汽车噪声排放的限值。如图1 1 显示了欧共体汽车加速噪声 限值的变化，图1 2 为日本汽车加速噪声限值变化，图1 3 为美国汽车加速噪声限值变 化。其中m 1 - m 3 为载客汽车，n i n 3 为载货汽车，g v m 为最大总质量，p 为最大额 定功率。从图可见在以往的3 0 年内，欧美、日本等发达国家对汽车的噪声排放的限值 降低很大， 图1 - 1 欧共体汽车加速噪声限值 f i g 1 1e c ea u t o m o t i v ea c c e l e r a t i o nn o i s el i m i t 9 5 9 0 s 量粘 趔 鐾 鐾 7 5 图1 - 2 日本汽车加速噪声限值 f i g 1 - 2j a p a n e s ea u t o m o t i v ea c c e l e r a t i o nn o i s el i m i t 一- 一小客车和轻型货车( g v m 4 弼 一中重型货车和大客车【g v m 4 5 t 7 0l 上l l _ j _ l - - 工 工一一 1 9 7 0 1 9 r 7 51 9 的1 9 弱1 9 9 01 9 9 52 0 0 0 年份 图1 - 3 美国汽车加速噪声限值 f i g 1 - 3u s aa u t o m o t i v ea c c e l e r a t i o nn o i s el i m i t ， 广西大掌硕士学位论文柴油机机喇畸口油底壳振动噪声分析与减振设计 豫沮t l 薯陆般蔓= 阶段 摩分，i 撇1 0 i 柏1 工埘 0 5i i 浙3 e 产_ 射【事 嗽产舶 m 竹m 伽幔1 曩- 毫叶6 v h k i 钳。 侣7 g v h 麓7 7 童g v h 】冀 b 3 貅口v 兜韵吨g v i m 魄) 3口 p 1 5 a f r 5 p 1 5 0 州 心王锹6 - 坼l 期 。 【w ( x ，y ，z ，f ) j ( 3 1 ) 式中， u ( x ，y ，z ，) ) 为单元内部其中任意一点的位移列阵； 时】为单元形函数矩阵； q ( f ) ) 2 为节点位移列阵； ( b ) 知道了单元位移函数后，就可求得单元应变关系： 1 8 广西大掌硕士掌位论文柴油机机喇瞬a 油底壳振动噪声分析与减振设计 f ，= 【b j q j 。 式中 s ) 为应变列阵，【b 】为几何矩阵。 ( c ) 利用物理方程，可由( 3 _ 2 ) 推导出单元应力关系式： 盯) = 【d 】【b 】 q ) 。 上式o o ： 盯 为应力列阵： 【d 为弹性矩阵。 ( d ) 单元刚度矩阵与单元平衡方程 时= m 剀7 d b l d v 式中 七】8 是单元刚度矩阵 利用最小势能原理，可导出单元的平衡方程： 毋。= j j 】。 奶。 式中 f 。为等效节点力。 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( e ) 综合以上所有单元的平衡方程，得到整个结构的平衡方程： f ) = 】 奶 ( 3 6 ) ( f ) 建立边界条件 某些点的位移为零时，需要对其进行约束处理，调整总刚度矩阵。 ( g ) 求解未知节点位移和单元应力。 通过平衡方程组( 3 6 ) 可解出未知位移，再利公式( 3 3 ) 和求出的节点位移求出各单 元的应力，整理后可得出所要求的结果1 4 1 1 。 3 1 2 结构动力分析有限元法 在发动机设计中，广泛采用有限元动力分析方法来研究发动机的动态特性，动态响 应等，从而制定合理的设计方案以降低发动机的振动和噪声。动力分析问题中，位移、 速度、应力、应变及载荷都为时间的函数，根据( 3 1 ) 的位移模式，对时间微分，可以得 到单元的速度场 u ( x ，y ，z ，f ) ) = 【n ( x ，y ，z ) 】 q ( 吖 ( 3 - 7 ) 其中 q ( ，) ) 。是节点速度向量。可用拉格朗日方程推导结构的动力学方程： 糍) + 跏。， 任8 ， 式中l 2 l 一7 r 明尔作拉格朗日函数，砟为势能，t 为动能，r 为耗散函数，q 为单元节 点广义位移，蟛为单元节点的广义速度。 单元动能与势能可表示如下 1 9 里查竺! 主竺竺丝查 一竺苎竺塑堕! 兰墨查塑竺竺兰竺塑兰苎塑苎! 旦 丁。5 i if j p d 7 d d y ( 3 9 ) 万p p - - 三v t f s r 仃) d y 一吵u ) r 沙) 硒一班u ) 2 ( 3 1o ) y 为单元体积， 扔为单元速度向量，p 为质量密度， 是体积力向量s ，渺， 分别为分布力或阻力所在单元部分的面积和面力向量。假定耗散力与相对速度成比例 耗散函数有： 彤= 圭眇奶2 渺矽y ( 3 1 1 ) 为阻尼系数。式( 3 9 ) 一( 3 - 1 1 ) 中，需对单元进行体积分和群表面面积分。 整个结构的动能t 势能万p ，耗散函数r 为： r = 喜丁8 = 扣嘻舻嗍删明也，( 3 - 埔 矿缸= 扣7 嘻妒7 【d b d v i q - 酚【喜( s 妙f 眦) 幽 + 班砰沙卜坦广僻o h ( 3 - 1 3 ) r ：妻r e ：孚奶7 雹j j j 4 n f 嘣奶 其中 q ) 与 q ) 分别为结构整体节点的位移、速度和集中载荷的向量。 定义以下矩阵： 单元质量矩阵： 旷】- 妒加r 。 ( 3 1 5 ) 单元刚度矩阵： 】= 缈吖嘲陋 山) 单元阻尼矩阵： 旧= 肛i n 丁 n d v v 。 由表面力引起的单元节点力向量： 群) = j j 】r 凼。 s f ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 广。西大掌硕士掌位论文 舞 油机机喇o p 油底壳振动噪声分析与减振设计 由体积力引起的单兀节点力向量： 巧) = f f 】7 ) d y 孑； ( 3 1 9 ) 组装单元矩阵以及力向量，可导出整个系统的运动方程 t = 去 q ) r m 】 q ) 二 ( 3 2 0 ) 万，2 主 q 7 【k 】 q 一 q r 尸) ( 3 2 1 ) r = 扣奶 ( 3 - 2 2 ) 其中： 【m 】为总质量矩阵m 13 善叫“ 【k 】为总刚度矩阵眯12 善暇1 【c 】为总阻尼矩阵c 12 善c 1 p ( f ) ) = ( 巧( f ) ) + ( ，) ) ) + e ( f ) ， p ( t ) ) 为总载荷向量 智 。 。 一一 将式( 3 2 0 ) 至( 3 2 2 ) 代入方程( 3 8 ) ，得出整个结构的动力学运动方程为： 【m 】 9 ( ，) 卜卜【c 】 q o ) + 【k 】 q ( f ) ) = 尸0 ) ) f 3 2 3 ) q ( ) ，为整体坐标系下的节点加速度向量，当不考虑阻尼时，即【c 】= 0 时，上式变为无 阻尼多自由度系统的运动微分方程： 【a f 】 9 ( ，) ) + 【k 】 q o ) ) = p ( ，) ) 当 p ( t ) ) ：o 时，方程变为无阻尼多自由度系统的自由振动微分方程： 【 f 】 q ( ，) ，+ k 】 q ( ，) ) = 0 ( 3 - 2 5 ) 的解为： 。 q ( f ) ) = q e 槲 q ) 为n xl 阶与时间无关的振幅矢量，所以有 。 奎( f ) ) = 一国2 q ) 2 枷 代入式( 3 2 4 ) 得 【k 卜缈2 m 】) q ) p 洄= 0 是经典的特征值问题； 2 l ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 厂。西大学硕士学位论文柴油辛几j | l 喇。扣油底壳振动噪声分析与减振设计 i 卜缈2 【m 1 = 0 ( 3 2 7 ) 上式可以得到n 个彩的值，也就是无阻尼系统的固有频率。将上述任何一个值代 回( 3 2 6 ) 可以得到 q ) 的一组相应值，就是对应固有频率的振型1 4 1 , 4 2 1 。 3 2 有限元软件a n s y s 简介 a n s y s 为大型通用有限元分析软件，是美国a n s y s 公司开发的。可进行结构、 热、流体、电磁场以及碰撞问题等领域的研究，被广泛应用于汽车工业、航空航天、生 物医学、建筑、桥梁、重型机械等领域。软件主要包括三大模块：前处理模块、计算分 析模块以及后处理模块。 前处理模块为实体建模与网格划分工具，使用户方便地建立有限元模型； 计算分析模块用于包括结构分析、电磁场分析、流体动力学分析、压电分析以及多 物理场耦合分析，可以模拟多物理介质的相互作用，还具有灵敏度分析和优化分析的能 力； 后处理模块是计算结果的后处理，可将计算结果以彩色等值线显示、矢量显示等各 种方式显示出来，还可将计算结果以图表、曲线形式显示和输出。 a n s y s 的基本求解过程包括：建立模型，加载并求解，查看分析结果。 3 3 机体的有限元模态分析 3 3 1 机体有限元模型的建立 y c d 4 8 1 1 柴油机为四缸直列增压中冷柴油机，其缸径为9 5 m m 。其机体实体结构 如图3 2 所示。机体的结构非常复杂，具有很多的小孔、小面、小的过度圆角和倒角， 同时分布有各种加强筋、凸台、冷却水套、油道孔和各种纵横隔板等，这些结构会导 致在a n s y s 软件中网格划分失败或网格数过多，使计算量很大，需要耗费极大的计算 时间和储存空间。在机体的实体建模中，需对结构进行一定简化，在忽略对计算结果影 响不大的细小螺栓孔、油孔、圆角、倒角等结构基础上，尽量保留了机体原有的结构， 保证模型较精确反应实际机体的结构，减少结构简化造成的误差。本文利用a n s y s 有 限元分析软件的实体建模功能建立了机体的三维几何实体模型，见图3 3 。 柴油机机啊。p 油底壳振豸噪声分析与减振设计 图3 - 2 机体实物模型 图3 - 3 机体几何模型 f i g 3 2p h y s i c a lm o d e lo f c y l i n d e rb l o c kf i g 3 3g e o m e t r i c a lm o d e lo f c y l i n d e rb l o c k 建立实体模型后，定义材料属性，机体的材料为h t 2 0 0 ，定义弹性模量e x = 1 1 5 g p a , 密度取p = 7 2 0 0k g m 3 泊松比u = 0 2 5 。然后采用精度高和适用于复杂实体网格划分的l o 节点s o l i d 9 2 号四面体单元，进行自由网格划分，单元尺寸为1 0 m m 。划分好网格的有 限元模型如图3 4 ，单元总数为2 2 1 9 4 8 ，节点总数为3 8 3 9 2 3 。在计算开始之前，通过对 比有限元计算模型的质量和实际机体的质量来检查模型。有限元模型的质量为7 5 k g ，实 际机体的质量为7 9 蚝，误差为5 ，可见有限元模型能准确反映实际机体的结构。 图3 - 4 机体有限元网格 f i g 3 - 4f i n i t ee l e m e n tm e s ho fc y l i n d e rb l o c k 3 3 2 有限元模态计算和结果验证 为了与试验模态分析结果对比，对机体进行自由模态分析，对机体不加任何约束， 采用分块的兰索斯法( b l o c kl a n c z o sm e t h o d ) 来提取机体的前2 0 阶非刚体模态。表3 一l 为有限元计算得到前2 0 阶固有频率。 广西大掣n 页士掌位论文 表3 - 1 机林前2 0 阶固有频率 t a b l e3 - 1f i r s t2 0o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c i e so fc y l i n d e rb l o c k l3579l l1 31 51 71 92 l o r d e r 图3 - 5 固有频率对比 f i g 3 5c o m p a r i s o no f n a t u r a lf r e q u e n c i e 根据图3 5 可知，有限元自由模态分析得到的各阶固有频率与试验值间能保持较好 的一致性。前6 阶的误差在3 以内，在高阶模态频率误差较大，约为5 ，但最大误差 不超过9 。计算值与试验值之间的误差是不可避免的，这主要是有限元计算是对机体 做了一定的简化，同时有限元计算采用的机体的弹性模量与实际弹性模量会有一定的差 别。特别是高阶模态为局部模态，试验上的误差以及测点数目有限等都会造成计算值与 试验值之间的误差较大。所以计算值与试验值之间的误差在工程计算精度上来说是可以 接受的【4 0 1 。 2 4 o o o o o o o o o o o o 5 o 5 o 5 o 5 o i 筋毖狮b他m，2 n_l_吞ii兰f2函高li；苗z 广西大掣瞻页士学位论文柴油机机刊o p 油底壳振动噪声分析与减振设计 第1 阶计算振型( 3 6 6 h z ) 第1 阶试验振型( 3 6 0 h z ) 图3 6 第l 阶计算振型与试验振型 f i g 3 石t h eis t - o r d e rc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm o d es h a p e s 第2 阶计算振型( 7 9 7 h z ) 第2 阶试验振型( 7 7 3 h z ) 图3 - 7 第2 阶计算振型与试验振型 f i g 3 7t h e2 n d o r d e rc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm o d es h a p e s 第3 阶计算振型( 8 9 9 h z )第3 阶试验振型( 9 0 6 h z ) 图3 - 8 第3 阶计算振型与试验振型 f i g 3 8t h e3 r do r d e rc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm o d es h a p e s 广西大掌硕士学位论文 柴油机机翻