（动力机械及工程专业论文）qc485柴油机机体试验模态与有限元分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 机体是发动机的主体部件，结构和受力比较复杂，足够的刚度和 强度是保证发动机正常工作的重要前提。对柴油机机体进行试验模态 分搴厅与有限元计冀，搞示外爨激振力与结构本身固有特性、工俸状况 与机体变形之间的关系，对于改善和提嵩机体的结构强度具有十分重 要的意义。 以q c 4 8 5 柴油撬枫体为研究对象，运焉有限元计算_ 秘试验模态 相结合的方法，对机体的动态特性进行了详细的研究蛰 采用频域识别法对机体进行试验模态分析。在机体上布置6 4 1 个测点，建立机体的模态模型，运用s d 3 8 0 动态信号分析仪处理得 到0 - - - , 2 0 0 0 h z 频率范围内的传递函数，采用结构动态分析软件 s t a r 5 0 拟合得到机体的前十二阶模态参数，对机体进行了受迫响 应分析，得到机体在实际工作状态下的变形情况。 根据q c 4 8 5 柴油机橇体结构的特点，建立桃体有限元的筒化计 算模型，运用h y p e r m e s h 软件对机体进行有限元网格划分。在此基 础上，运用a n s y s 软件，计算了规体的自由模态和约束模态，得到 机体的前十二阶固有频率和振型，对试验模态帮有限元计算模态进 行了相关性对比分析，对比了模态振型和频率。计算模态和试验模 态参数的对比，有限元模型能较好地反映机体的动态特性，模型简 化较为合理。 通过对q c 4 8 5 柴油机机体的自由模态和约束模态计算，机体主 江苏大学硕士学位论文 要振型为整体的弯曲、扭转模态以及主轴承座和曲轴箱的局部模态。 分析了约束对机体振型和频率的影响规律，由于约束条件下机体的 整体自由度减小，因此从整体来讲机体刚度增加，频率比自由条件 下的频率大。 通过对机体进行受迫响应计算分析，第三缸的变形较其它缸变 形大，最大变形位于第三缸的缸壁项部，即活塞对缸壁侧压力所作 用的区域，并且变形沿缸套壁由上而下逐渐减小，气缸套变形相对 较小，主轴承座的变形较大。 在此基础上，提出了加强机体底部刚度的几种方案，并进行了 有限元计算分析，采用梯形框的方案效果最明显。改进后，机体的 固有频率得到明显提高、机体的总体刚度明显提高，机体的变形得 到降低。对改进机体进行试验，并加缸盖进行了组合结构模态试验。 关键词：机体，模态分析，有限元，受迫响应，动态特性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee n g i n eb l o c ki 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 s t h e s t r u c t u r ea n df o r c ea r er e l a t i v e l yc o m p l e x 。i t sa n g u l a rr i g i d i t ya n d s t r e n g t hi st h ep r e c o n d i t i o no fn o r m a lw o r k ，r e v e a l st h er e l a t i o nb e t w e e n t h eo u t s i d ee x c i t i n gf o r c ea n dt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，t h ew o r k i n g c o n d i t i o na n dt h ed i s t o r t i o no ft h ee n g i n eb l o c kb yu s i n gm o d a lt e s ta n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 。i t sv e r ys i g n i f i c a t i v ef o ri m p r o v i n gt h es t r e n g t h o ft h ee n g i n es t r u c t u r e t h em o d a lt e s tt e c h n i q u ea n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da r e s y n t h e t i c a l l yu s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d e r b l o c ko f4 8 5d i e s e le n g i n e b yf r e q u e n c yd o m a i nm o d a lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nw a y ，t h e m o d a lt e s ti sp e r f o r m e do nt h ee n g i n eb l o c k ，a r r a n g i n g6 4 1 - t e s tp o i n t so n t h ec y l i n d e rb l o c ka n de s t a b l i s h i n gt h em o d a lm o d e l b yu s i n gd y n a m i c s i g n a la n a l y z e r , w e c a ng a i nt h et r a n s f e rf u n c t i o nf r o m0 2 0 0 0 h z ， i n h e r e n tm o d a lp a r a m e t e r sc o n t a i n i n gt w e l v er a n k sa l eo b t a i n e db yu s i n g t h es o f t w a r eo fs t a r t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo ft h ed y n a m i c r e s p o n s ei sp e r f o r m e d ，w ec a ng a i nt h er e a ld i s t o r t i o no f t h ee n g i n eb l o c k o nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n 。 a c c o r d i n g t ot h ec a l c u l a t i o no ft h ef r e e l ym o d a la n dc o n s t r a i nm o d a l m 江苏大学硕士学位论文 f o rt h e4 8 5e n g i n eb l o c k t h em o d es h a p ei sm a i n l yt h ec u r v i n g ，t o r s i o n a l o ft h ew h o l ea n dt h el o c a lm o d a lo ft h em a i ns p i n d l eb e a r i n ga n d c r a n k c a s e t h ei n h e r e n tr e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n s t r a i n t sa n dt h en a t u r a l p a r a m e t e r so ft h ec y l i n d e rb l o c ki sa n a l y z e d b e c a u s eo f t h ec o n s t r a i n t ， t h ef r e ed e g r e ei sd e c r e a s e d ，t h ea n g u l a rr i g i d i t yi si n c r e a s e ，t h ef r e q u e n c y i sb i g g e rt h a nt h ef r e e l yw a y t h r o u g ht h e c a l c u l a t eo ft h ed y n a m i cr e s p o n s e ，w h e nt h et h i r d c y l i n d e rw o r k s ，t h eb i g g e s td i s t o r t i o no ft h ec y l i n d e ri st h et h i r d o nt h e t o po ft h ec y l i n d e r ，a l s ot h ed i s t o r t i o n i sd e c r e a s e df r o mu pa n dd o w n ，t h e c y l i n d e r sd i s t o r t i o ni sr e l a t i v e l ys m a l l ，t h em a i n l yb e a r i n g sd i s t o r t i o ni s b i g g e r o nt h i sf o u n d a t i o n ，b r i n gf o r e w o r ds o m ei m p r o v e ds c h e m e s ，b r i n g f o r w a r dt h es c h e m eo fa p p e n d i n gt r a p e z o i df r a m eo nt h eb o t t o mo ft h e e n g i n e ，t h ef r e q u e n c yi n c r e a s e sw h i c hi n c r e a s et h ea n g u l a rr i g i d i t yo ft h e e n g i n e ，c o m p a r a t i v e l yd i s t o r t i o ni sd e c r e a s e d t h em o d a l t e s ti sd o n eo f t h ei m p r o v e da n dt h ei m p r o v e dw i t ht h ec y l i n d e rh e a d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n ec y l i n d e rb l o c k ，m o d a la n a l y s i s ，t h ef 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 e i v 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部f j 或概构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 肉容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密n 本学位论文满于一，在年我解密后适用本授权书。 不保密囤 学位论文作者签名：知荛叼 指导教师签名：薹j 易 茹争嚏年# 苫月呼霹 少拳尹年多胃弱 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 铹葛圻 f 加7 年衫月蜩 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的意义及目的 规钵是发动规的雷粱，支承和罄定着所有的零部搏，其戮度与强度以及动态 特性直接影响着发动机的工作性能和寿命【1 】。气缸工作时受力状况非常复杂，缸 髂工终露经常与高瀣、高压鹣燃气辐接魅，显漂塞在其中律高速往复运动，视体 的刚度不足，就会使气缸和主轴承座孔发生变形，导致气缸中心线不垂直于主轴 承诧孛心线以及各主辘承孔不蠢心，孳| 起运动捧之闻捐耍配合关系酶改交，加速 零件的磨损，影响发动机的排放、动力性、经济性和使用寿命，所以发动机机体 本身应具有足够韵剐度帮强度。 随着发动机转遴的提高，激振频率增加，机体零部件的疲劳强度会降低。严 重时零 睾会遭到破坏，导致枫体以及气艇套酶变形，零| 起柴油祝颡粒排放物增加。 为减少机体变形，确保柴油机工作时具有足够的强度和刚度，要求各个零部件的 振动最套、变形最小。开震发动祝祝体酌动态特性研究，探讨机体各部分振动能 量的分布规律。抑制振动、改进机体结构，对于提高柴油机机体的刚度和强度具 有十分重要的意义。 模态分析技术是现代机械产品结构设计、分析的基础，是分析结构系统动态 特牲强有力的工具。试验模态分祈方法( e m a ，e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ) 通过试验数据采集系统的输入输出信号，经过参数识别获褥模态参数，验证有限 元理论模态分析模型正确性，根据模态试验结聚修改有限元理论模型。计算模态 分析可以预测产品的动态特性，为结构优化设计提供依据。 有限元方法( 髓m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 利用相关软粹，开始设计时， 根据设计图纸，预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强度及其它动态闻题， 弗可在图纸阶段改变结构形状以消除或抑制这些问题。随着计算机技术的发展， 建立在有限元原理上的结构分概软件融经相当成熬在建立有限元模型时，存在各 种理论假设、边界条件的近似性，材料参数的不确定性等因素，使得有限元模型 和试验模忿模型之间不可避免地存在误差，需要讨论有限元模型与试验模型之间 的相关分析问题f z l t 3 1 。 采用试验模态分析与有限元计算相结合的分析方法，对q c 4 8 5 机体进行结构 江苏大学硕士学位论文 特性研究与分析，分析试验模态与有限元计算模念的差异，对有限元模型进行修 正，找出比较理想的有限元模型，对于进一步优化q c 4 8 5 机体结构，提高机体的 刚度，具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 在柴油机设计过程中，对机体进行试验模态和动态特性有限元分析，采用试 验模态的分析结果来修j 下缸体有限元模型的方法已得到了广泛应用，这种方法在 缸体有限元建模方面己得到实际应用，从而为进行机体动力响应计算奠定了基 础。在有限元分析方面做了大量的研究和应用，取得了一系列研究成果。 1 2 1 内燃机有限元计算模态分析概况 柴油机机体是十分重要的部件，机体内设有油道、安装有气缸套、曲轴等零 部件，结构复杂，精度要求高。在实际工作情况下，承受的载荷复杂。建立与实 际情况相近的有限元分析模型并开展计算机仿真，一直是内燃机有限元结构分析 的难点和重点。 美国通用公司在柴油机的设计开发中已经将有限元结构分析扩展到分析极 限变形、燃烧引起的热应力以及动态响应分析上，同试验概念结合起来进行新产 品结构的优化【4 1 。美国s a e ( 美国汽车工程协会) 、比利时鲁汶大学等研究机构， 对发动机机体有限元模型的建立进行了相关研究。特别是结合静态分析和试验模 态分析等方法，修正和完善机体的有限元分析模型取得了突出的成效【5 】【6 l 。 德国柴油机在结构分析工作中较早利用了有限元技术。k e n t u c k y 大学的 a e s e y b e r t 针对柴油机的油底壳以及其他零部件进行了有限元分析，实现了声振 耦合分析【。7 1 。 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，在分析确定缸体激励力方面取得了重大进展，使得 通过计算机模拟得到动态响应的结果同实际情况相当接近【8 】。 z i s s m o s e m o u r e l a t o 研究了曲轴的动态响应；r o b e r ts o u t h a l l 等利用有限元技术 开发了满足欧三标准的p e r k i n sv 6h s d i ( h i 曲s p e e dd i r e c ti n j e c t i o n ) 柴油机【9 】。 国外其他的主要柴油机生产厂商如c u m m i n s ，m t u ，t o y o t a ，n i s s a n 2 江苏大学硕士学位论文 等广泛开展了柒油机零部件有限元分析。福特公司利用有限元分析计算，成功解 决了机体出现裂纹的问题【1 0 l 。 国内的科研祝构于上世纪九十年代初，开始运用有限元法，开展了肉燃机静 强度和动态特性的研究工作。有限元分概技术在大型柴油视的动态研究方龌已经 得剿较为广泛的应用。在零部件的设计方面，机体有限元模型的建立、模态分析、 动态响应分柝、激励力的确定等方面都取得了一定的成果【1 1 1 f 1 2 l 。 太原理工大学李俊宝等对z h l l 0 5 w g 型柴油机机体进行了振动响应有限元 分析，并对机体进行了结构修改和旺体修改后的响应预测。考虑j 娃体底郝的4 个 圈定点，将螺栓连接简化成固定约柬，应用s a p 6 程序对缸体进行了约束模态计 算，对机体进行局部修改，将枫体左右两侧面主轴承座巍部和后端鲍板厚适当加 大，在机体的薄弱环节处增加一些加强筋。结果表明，缸体的动态特性得到改善， 振动响应蠖僮也褥到搀制，柴淮帆整机的工作性能将褥到改善1 1 3 1 。 江苏大学徐凌等对4 8 2 q 柴油机机体进行了试验模态分析和受迫响应分析， 在此基础上对机体的薄弱部位进行了改进，采臻在第一、五主辘承盖之间增勰一 根横梁，用螺栓固定在每个主轴承盖上的方法。改进后的第一、二阶模态频率比 改进前提高了9 0 h z 左右，提高了机体的刚度0 4 1 。 天津大学刘月辉等采用m s c 娼t r a n 软件，对z h l l l 0 型柴油机机体进行 了有限元分概，得到了规体的各阶固有频率纛模态振型；并采用脉冲激振法进行 了机体模态试验。结果表明，飞轮侧和起动爪侧、机体曲轴箱外部板壳刚度较差， 掇攥“等强度 的原则，头部去掉一小部分冗余的誊砉糕，适当降低该处的刚度； 曲轴箱板壳连接处增加加强筋，同时缩小曲轴箱处的面积，使从气缸头部剡曲轴 箱板壳的雕度变化盎突变改筠渐变，聪减小连接处的应力集中，改进居，整个撬 体质量减少2 k g l l 5 】。 洛阳工学院对z h l l 0 5 檗洼瓿齿轮室盖鳇摸态特性进行了分橱，运用 i - d e a s 有限元分析软件建立了齿轮室盖的三维几何实体模型，获得了齿轮室盖 酶漪透阶模惫参数翡振型。研究结果表骥，齿轮室盖为板壳类零件，萁雏形结掏 决定了在发生弯、扭振动时边缘处、四个角点处缺乏加强筋的支持，同时大平板 斡中心部位穗对振幅较大。逶过采雳把盏援肉表瑟分奄的蕊强翁过渡到圜阕侧壁 部位，使四边的侧壁通过加强筋的支撑从而与具有较大冈0 度的盖板连成体的方 3 江苏大学硕士学位论文 案，固有频率提高幅度达4 6 - - 一2 2 0 h z1 1 6 。 在动态特性分析方面的研究中，山东大学应用有限元动力学分析软件，模拟 了多缸柴油机机体的强迫振动情况，研究结果表明，采用6 点支承比4 点支承能 明显增大机体整体刚度，减小了振动幅度和振动烈度【1 7 1 。 河南农业大学在i - - d e a s 软件平台上建立了y t 4 1 3 5 z 型柴油机机体的有限 元模型，计算机体约束模态的固有频率和振型，对柴油机机体的动念分析和改进 有一定的价值【1 8 1 。河南科技大学杜发荣等以卧式单缸柴油机为例，利用美国 s d r c 公司的i d e a s 软件的模态分析功能，在建立底部约束的机体三维实体模型 的基础上，对机体结构进行了约束模态的有限元分析，得到了机体结构的前1 0 阶固有频率及相应振型。通过对边界条件的处理，进行约束模态分析，第一阶频 率由原来的6 7 1 h z 提高至j j 7 4 5 h z t l 9 1 。 浙江四方集团公司采用a n s y s 有限元分析法，对$ 1 9 5 柴油机机体进行了符合 实际情况的p r o e 三维建模，研究了机体的变形和应力状态，结合机体的安装配 合要求，提出s 1 9 5 型柴油机机体的减重优化建议，理论上能减轻5 蚝i 捌。 上海交通大学以1 6 v 2 8 0 刁a 型柴油机为对象，对1 6 v 2 8 0 z j a 型柴油机进行 了整机自由振动分析分别建立了单层系统有限元模型和三层系统有限元模型，研 究结果表明：对1 6 v 2 8 0 z j a 型柴油机，应选用较小刚度的隔振器【2 1 】。 西安交通大学、北京理工大学等在发动机c a d 技术方面进行了研究，在 计算机预测发动机零部件寿命、试验模态分析技术、发动机工作噪声预测技术等 方面的研究也取得了一定成剽2 2 】【2 3 1 。 1 2 2 试验模态分析的概况 模态分析由采用共振试验确定系统的固有频率，发展了多点单相正弦、正弦 多频单点激励、模拟式频响函数仪到出现了各种瞬态和随机激励，频率模态分析 识别技术；模态分析在工程领域得到普及和应用，在结构性能评价，结构动态修 改和动态设计，故障诊断和状态监测以及声控分析等方面得到广泛应用。基于 f e m 、e m a 和最优控制理论的结构动态修改方面取得了突出成果。 振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法弄清楚了结构 物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，可以预言结构在此频段内 4 江苏大学硕士学位论文 在外部或内部各种掇源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及 设餐故障诊断的重要方法。 模态分析技术麴进展主要表现在以下方面； ( 重) 多点随机技术，它是利用宽带随机信号对结构激威，可以经f f t 快速 测量f r f ，随机激励还具有对弱非线性环节线性化的独特优点，很适宜于结构振 动特性试验； ( 2 ) 步迸正弦技术，经典的多点正弦技术基于相位共振原理，调力分离模 态，耨的步进正弦技术采用不裰于正弦激振原理秘空闯域摸态识别来实现相位分 离； ( 3 ) 多参考点锤击技术，锤击法模态试验技术具有设备麓单，适于现场测 试等优点，多参考点锤击技术除具有上述锤击法的优点，还和m i m o 技术一样， 钱够区分密集和重频模态。 试验模态分析技术应用于发动机、车架、悬挂系统、驾驶室等部件的动态分 析及整车的动态分据纛优化设计 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 ，取褥7 一系列的成栗。 天津大学内燃机实验室对x 6 1 7 0 z c 型柴油机曲轴在测得响应信号后，应用相 关酶专用d a s p 模态分析软件，进行鳇辘的模态参数识剐及模惫拟合，得到柴油 机曲轴各阶固有频率和模态振型1 2 7 1 。辽宁工学院对气缸盖进行自由模态试验， 试验采瘸东方振动和噪声技术研究新的i n v 3 0 3 3 0 6 智裁型信号采集处理分析系 统，该系统中可实现多通道大容量动、静态数掘信号的自动采集、波形和数据记 录、分析，频谱分毒菅，模态分析，结构动力修改等功熊嗍。 陕西汽车制造总厂研究所的刘晓凯对陕汽总厂生产的s x 6 1 2 2 b l 大客车车 檠进行了模态试验分析，使溱鲍是英国施馅伦杰s 1 1 2 0 2 动态分析仪和裰应的模 态分析软件，用s i m o 法分析了车架的固有特性，为车架改进提出了很好的动力 学依据1 2 9 l 。 近期比利时l m s 国际公司摊出一种新的试验模态分析方法一一 t e s t l a b方法，瞧称失多参考最夸二乘复频域法 。这一软polymax(lscf)00l 件模态参数识别方法，无论对有严重噪声污染的数据，述是对密集模态、大阻尼 鲶结构，都有投好的识裂戆力可获褥良好静效果。 模态分析技术融趋于成熟，线性模态理论方面的研究已日臻究善。提高模态 5 江苏大学硕士学位论文 分析的精度，扩大应用范围，增加模态分析的信息量是提高分析精度的关键，单 靠增加传感器的测点数目很难实现，目前提出的一种激光扫描方法是增加测点数 的有效办法，测点数目的增加使数据采集量增大。对于复杂结构空问模态的测量 分析、频响函数的耦合、高频模态检测、抗噪声干扰等方面的研究由线性向非线 性方向发展尚需进一步开展。 1 3f e a 在内燃机结构分析中的应用 发动机结构复杂，不可能用解析法求其振动模态。将复杂的内燃机工程问题 如建立物理、数学模型，通过在计算机上进行分析、模拟工程实际状况，为设计 方案的选择和结构的修改提供依据，实现最优化设计。有限元法是内燃机结构分 析领域的主要工具【2 2 】。 有限元分析技术通常应用于刚度和强度的分析计算。有限元法在几何模型上 通过节点或单元描述，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。当附加函数为线性时，可以保 证单元之间的相互适配性，但单元之间的过渡不连续。增加附加函数多项式的次 数，可以实现单元之间过渡的连续，提高单元之间的协调性和计算精度。对于静 力学计算，有限元法只需解线性方程组；对于模态分析只要确定了刚度矩阵的特 征值，对于受迫响应问题则需要用积分的方法。 采用有限元模拟可以对机体的各阶固有频率进行计算、对机体的结构进行改 进、对改进方案进行验证，根据相应结构在薄弱环节增加加强筋，在机体的两侧 面添加加强筋可以提高机体的刚度【3 1 】；增加主轴承孔面的宽度，提高动态刚度； 现代材料技术的发展，新型材料出现，传统材料的性能得到提高。与铸铁相比， 铝合金密度小、导热性好，广泛应用于内燃机零部件中，对于汽油机机体，缸盖 和飞轮等，欧美、日本多采用铝合金制造【3 2 1 。 发动机有限元技术应用在近年来有了很大的进展，但在实际应用中也存在一 些问题【3 3 】，主要有： ( 1 ) 采用特定类型的单元进行有限元分析时，网格的密度与计算精度之间目 前没有可供参考的量化关系。对缸盖、机体等大型几何模型，硬件资源一般难以 满足要求。对特定的分析课题，这方面的研究具有重要的实用价值。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 发动机工作状态眈较复杂，簧准确遗确定边界条件较困难，对铸造件的 分析，铸造残余应力的确定从试验测定和理论计算上都存在困难，影嚷分极精度。 ( 3 ) 几何结构复杂的零都件如缸盖等，自动生成的有限元阏格一般为四面体 单元，要达到一定的计算精度，网格必须具有较大的密度，增大? 计算量。使用 六面体单元可以在较小的计算规模下达到较商的计算鞲度，但难以实现该种单元 的网格自动划分。复杂零部件六恧体单元的完全自动划分是有限元蘸处理技术较 为重要的方面。 糟) 模态分板时，多数软件不能傲皂动的接触判别，巨前文献中提爨的零件 之间自由度耦合方法在具体的问题中( 如大面积接触问题) 存在缺陷。 ) 有限元法已经成为结构优化设计中敏感度分柝、约束蘧数和匿标函数计 算的常用方法。优化分析需要大量的迭代计算，尤其是对于最具工程实用意义的 q d 技术，在几何结构优化设计的迭代过程中需要重梅有限元模型，增加了计 算量。 基前圈惠应用的有限元分析软件主要套- a n s y s 、i d e a s 等。 1 4 本课题的研究内容 以q c 4 8 5 柴油机机体为研究对象，采用试验模态的方法，运用动态分析软 件获褥机体的试验模态参数，运餍a n s y s 软件对机体进行有限元诗算模态分橱， 研究机体的动态特性，提出了机体的改进方案并进行有限元分析。 主要工作包括： ( 1 ) 进行了柴油机机体的模态试验，在机体结构上设立测点，建立机体动态 模型。运用结构动态分析软徉s t a r 5 0 对机体进行试验模态分撬，运用动 态测试技术、数字信号处理技术和参数识别手段，确定了机体的备阶模 态参数。进行受追响应计算分橱，模拟机体鲍工作状态，对测点施燕激 励力，获得机体的变形情况，对试验结果进行分析。 耸建立机体有限元分橱模型，运震h y p e r m e s h 软件对机体进行嬲格划分， 有限元分析软件a n s y s l 0 0 对机体进行计算模态分析，考虑有限元计算 要和试验模态进行对魄，施热和试验福丽麴边赛条待，计算祝体的叁壶 模态。考虑机体在实际安装条件的基础上进行约束模态分析。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用试验模态模型与有限元模型相结合的方法，对试验模态和有限元仿 真的结果进行相关性分析。运用试验模态的结果对有限元模型进行了修 正，建立了q c 4 8 5 柴油机机体有限元模型。 ( 4 ) 针对机体主轴承座和裙部刚度差的问题，提出了加强机体刚度的不同方 案，从结构材料、机体的结构形式等方面进行了模拟计算、试验研究。 针对q c a 8 5 柴油机提出了采用梯形框架的新结构，进行具体的分析。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章机体的有限元计算 c o u r a n t 第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续酗数和最小位能原 理求解s t 。v e n a n t 援转问题。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步威用有限元处理了平面弹 性闯题，并提出了有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 的概念，使有限元法的理论和应用 得到了迅速的发展，有限元分板软件的r 益成熟，已成为柴、油机零部件进行有限 元分析辅助设计的重要手段。有限元技术的应用提高了内燃机零部件的可靠性， 缩短了设计周期。 2 1 有限元法基本理论 有限元法的基本思想：将求解区域离散为组有限个且按定方式相甄连接 在一起熬单元组合体。根据不同研究学科，推导爨每一个单元的作餍力方程，组 成蹩个结构的系统方程，最艏求解该系统方程。 有限元法作为连续系统的一种离散纯的建模与计算方法，基本理论较为完 楚。该方法有两个基本假定：( 1 ) 理想弹性假定；构件的材料是均匀连续、各向 同性鲍，其有完全的弹性，应力和应交遵循虎克定理。国小变形假定：构件变 形产生的弹性位移远小于构件尺寸。第一个假定使应力和应变之间具有线性关 系，第二个假定傻矫力与变形或内力成隽线性关系。这两个假定使建立的数学模 型简化易解。 工程分析闻题，如固体力学孛的位移场和应力场分概、振动特性分耩等，都 可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题， 哭有方程性质篱单、几 莓边界规斑的少数闻题畿腥解辑方法求出精确解。两种解 决途径可以解决：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化，得到它在简化状 态下酶解答。这种方法只在有限的情况下是可行熊，基身过多熬篱纯将导致错误 的解答。另一条途径是数值解法，如有限差分法、边界元法、有限元法和离散元 法等。有限单元法是在当今工程分柝中广泛应用的数值计算方法f 3 3 l 。 2 1 1 有限觉法求解过程 用于结构分析的有限元法形式有很多，有协调模型的有限元法、非协调模型 9 江苏大学硕士学位论更 的有限元法和杂交模型有限元法。其中以协调模型有限元法疲周最为广泛，它怒 以位移为基本未知量，依据最小势能原理建立有限元公式，理论基础是最小势能 原理，基本思路是从整体到展部，荐飙局部到整体，通过局部近似得到整体的近 似解答。 有限元法求解有几个步骤： ( 1 )计算对象离散化：将计算模型分割成有限个单元，单元之闻设置连 接节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，构成单元集合体以代替原计 算对象，并将弹性体边界约束罔边界上节点约束代替。 ( 2 )单元分析：用阉体力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模式 入手，导密计算单元的应变、应力、单元剐度矩阵和单元等效节点载萄向量的计 算公式，讨论单元平衡条件，建立单元节点力与节点饺移之间的关系。 量建立单元位移模式 描述单元体内任一点的位移，威对单元中位移的分布作蹴一定假设，假定位 移是坐标熬某种麓肇函数，这种函数称为位移模式或插值函数。选择合适的位移 模式是有限元分析的关键。通常选择多项式作为位移模式，因为多项式的数学运 算鲍较方便，曼所有函数的局部都霹班用多项式逼近。多项式的霹 数栩酚次豹选 择，要考虑到单元的自由度和解的收敛性要求，对协调单元应满足相容性和完备 性要求。一般来说，多项式的顼数应筹予单元熬塞杰度数，阶次包括常数项和线 性项等。 由选定的链移模式，导窭单元链移与带点位移关系： ”吣 e 晓1 ) 1 w j 式中： u ，v ，w l r 单元内任一点的位移列阵； 。单元韵节点楚移列阵； 【n 】单元位移模式矩阵，即形函数矩阵。 2 ) 单元应变分析 蠡单元位移遁数，求褥单元应交关系式； 1 0 江苏大学硕士学位论文 篁【b 】渤。 ( 2 2 ) 式中： ) 一一单元内任一点的应变阵列； 【翻单元鹿变矩薄，其应变分量为坐标x 、y 、z 静邈数。 3 ) 单元应力分析 由单元位移菡数和应变关系式，褥节点应力与节点位移的关系式： = 【d 】【瑚 6 e ( 2 。3 ) 式中： 尊；单嚣露任一点斡应力列阵； 【d 】一一与单元有关的弹性矩阵，由弹性模量和泊松比确定，与坐标无关。 4 ) 单元刚度矩阵与单元平衡方程 【l 【l e 嚣艇【b r 【d 】【b 弹 法耩o rd a m p e d ( o r 阻尼) 法只在特殊情况下使耀隅。本文选震 分块兰索斯法求解。对模型参数进行设置、求解。 2 2 + 2h y p e r m e s h 阏格剃分 有限元网格叁动生成技术有了较大发展，对于大型黔复杂结构，划分鼷格爨 难主要表现在两个方面，一是几何元素过多，没有经过简化的实体模型，现有的 硬体无法实现甄格划分。另外，就是一些几衡元素过于复杂或者凡旃元素尺寸懿 大小相差悬殊，导致网格划分失败或生成网格的质量很差f 3 7 1 3 8 1 。选择h y p e r m e s h 软件建立发动视有限元羁格模型。 h y p e r m e s h 是由美国a l t a i r 公司开发的有限元前后处理器，h y p e r m e s h 软件 与多种c a d 和c a e 较释有较好接露，支持多种格式的复杂装配凡餐模型读入， 如c a t i a 、u g 、p r o e 、s t e p 、i g e s 等格式的输入，支持u g 动态装配， 并可设定凡簿容差，修复几何模型，支持i g e s 格式输密。并其有高效的两格 划分功能。 江苏犬学硕士学位论文 对q c 4 8 5 机体模型进行几何清理按照以下步骤进行： ( 1 ) 根据网格划分的要求，在u g 软件中对孔、倒角、倒圆等一些小的几何 特征进行处理。经过处理，机体模型中的一些小的几何特征得到抑制，只存在离 由边，这将降低划分网格的难度，减少工作量。 ( 2 ) 把经过第一步处理后的模型导入到h y p e r m e s h 中进行观察，如果存在 自由边则用g e o m e t r yc l e a n u p 、e d i ts u r f a c e 等工具进行处理。经过处理后的模型 可以消除绝大部分的自由边，但无法消除些特殊盼自由边。 ( 3 ) 针对无法消除的自由边，重新运用u g 软件对其进行处理，再把模魁 导回h y p e r m e s h 中。 ( 4 ) 在h y p e r m e s h 中，模型不存在自由边是实现网格划分的前提，但并不 意味着定就能实现四面体网格的划分，还要利用h y p e r m e s h q b 面的剖分、线的 压缩、棚邻点的合并等功能对模型进行进一步的清理。这一步实际上是几何清理 过程中的细化清理过程，是为了实现网格的划分，更重要的是为了提高网格划分 的质量。 h y p e r m e s h 软件具有完善的互动式二维和三维单元划分工具，提供了多种形 式的网格质量检查项目，用户可以实时控制单元质量。对机体模型进行几何清理 后，进行四面体的网格划分，单元尺寸选1 0 m m 。 2 3 机体有限元模型的建立 有限元模型建立的合理与否直接影响计算精度、计算时闻、所需内存大小及 计算的可行性。建立模型是有限元分析的关键，建模过程工作量大，要求考虑的 因素多，严格按照图纸尺寸建立机体模型，机体建模的工作量很大，对未篱化的 模型进行网格划分，将加大网格划分的难度，影响计算结果的准确性和计算速度， 甚至会因为网格划分不合理薅导致计算不收敛。故在建立机体有限元模型时，应 遵循保证计算结果的精度和控制模型的规模的原则【3 9 l 。对每个部分根据其形状 特点进行合理麓化，以方便划分蠢限元网格。 2 3 1 机体实体模型的建立和简化 q c 4 8 5 柴油机机体是个经铸造、机加工得到的箱体结构，其上分布有各种 1 6 江苏大学硕士学位论文 加强筋、凸台、轴承孔、油道孔和各种纵横隔扳，结构形状复杂1 1 4 1 i 。 如果对未简化的模型进行嘲格划分，将山现以下问题： ( 1 ) 机体上小的倒角、倒圆，小孔以及其它小面需要采用很小的单元尺寸， 会使单元数h 增多，计算世很人。 ( 2 ) 机体上小的点、线等元索会导致有限元删格划分失败，即使能够进行 网格划分，其“生的形状不台理的单元会导致计算的失螋。 在建讧机体有限元模型时，综台考虑计算精度和汁算舰模的影响，依据等效 原理，对机体进行必要的简化。般忽略不起主垂作用的倒角和倒圆；将模型上 具有复杂曲而的地，j 简化为规则的、利于刚格划分的形状，避免m 现3 0 以r 的 失角。 在以上简化基础上，刘机体进行建模，简化机佛模型如幽2 1 。 圈21 简化后机体jl t o l 模型旧 f * 2 1 t h e m o d a lo f t h es i m p l i f i e der i g i n e b l o c k 232 有限元模型的建立 简化机体的实体模型建立之后，进行网格划分，得到机体有限兀删格模型。 埘实体模型进行m 格划分，由r j 、面体单兀在划分州格时要求结构比较规则，而 机体结构复朵，对其进行六嘲体网格的臼动划分较凼难。相对而占，刷四面体单 兀进行恻格划分u ，以逼近较复杂的几何形状，各种软件的匹i 面体嘲格自动划分功 能已经较成熟。本机体采州四面体划分网格。 1 7 江苏大学硕士学位论乇 计算崮彳 特十牛时应趋于采用较均匀的刚格形式，因为同肯频率和振型主要取 决于结构质量分布和刚度分柿，不存在类似应力集中现象，采用均匀网格使结构 剐度矩阵和质屠矩阵的兀素不致相差太大，可减小数值计算误差。用于定义对象 边界元素的大小与数1 t ，将直接影响分析时的正确性和经济性。一般网格越细， 得到的结果越好，f h 嘲格太细会t 用人世的分析时间，造成资源浪费，同时a 细 的嘲格在复杂的结构中，常会造成划分小同刚格时的连接困难p 2 1 1 4 3 1 。 计算中单几尺、j _ 取1 0 r a m ，选用s o l i d 4 5 网格叩元，改袒元适合不规则的模型， 它八个节点定义而成，每个节点有3 个白山度( yz 三个方向) 。单兀具有 塑件、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大心变能力。骨点总数为2 0 8 1 2 ，单儿 数为6 5 8 2 1 ，将其导入a n s y s 软件进行自由模态计算。计算分析中参数设置：弹性 模昔e - - 1 0 0 c , p a ，波松比p - - 03 ，密度p = 7 8 0 0 k g m 3 。 机体经h y p e r m e s h 划分网格后导入到a n s y s 后，嘲格模型如图2 2 。 图2 2 机体彳【；5 i 兀阿格模型 f i g22 t h e f i n i t ce l e m e n t g r i d m e d do f m oe n g i n e b l o c k 2 4 机体自由模态计算 2 4l 边界条件的确定 为了对有限兀理论计算数据和试验数据进行对比，选用计算模型与测试系统 相致的边界条什。神机体测试时，采用弹性绳将机体悬挂，使其处于自由状态。 在计算时，为模拟段自由状忐，币加约束与力，计算机体的自由模态。这种自由 1 8 江苏大学硕士学位论文 状态可导致计算结粱难现六个刚体模悫：三个平动模态，三个转动模态。前者由 结构的质爨掰确定，露者由三个转动惯量所确定。 2 4 2 计算结果 机体的有限元模态计算，选用a n s y s l 0 0 程序中的b l o c kl a l l c z o s ( 分块兰索 赣) 法求鳞，粳据经验，当缝梅俸在动浚蕊激赫下产生共振对，般只骞少数见 个低阶内熬振情况比较危险，因此取前六阶频辫如表2 1 所示。 表2 1 极搭莲嘉计算凝率僮 t a b 。2 1t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ee n g i n eb l o c k o c a 8 5 柒涟巍煞额定转速舞3 2 0 0 r r a i n ，额定工傣蒙率秀f = 5 3 。3 h z 。激擐力 频率和固有频率比为九= ( o = 5 3 3 5 2 7 9 = o ，1 0 1 1a 当z 2 f m 。 通过力锤对机体敲击拾取加速度响应信号，将信号籼转换器进行采样后 输入计算机，数据经快速f o u r i e r ( f v r ) 交换，计算如激励点与响应点的传递函 数，传递函数是等频率间隔内的离散型数据。运用传递函数曲线拟合的方法，对 机体的固有频率、模态振型等参数需要在等间隔的数据之间作精确数值计算。将 某点的激励和响应信号经电荷放大器放大后输入s d 3 8 0 动态分析仪，由s d 一3 8 0 动态分析仪处理得到o 2 0 0 0 h z 频率范围内的传递函数，每个测点锤击五次，经 线性平均后再通过i e e e 4 8 8 接口将该点的传递函数数据输入5 8 6 机中存盘，供s t a r 结构动态分析软件调用。 3 3 2 试验用主要仪器 试验所用主要仪器如表3 1 所示。 表3 1试验闱主要仪器 t a b 3 。1t h ee q u i p m e n to ft h em o d a lt e s t 江苏大学硕士学位论文 3 33s t a r 软件简介 s t a r 5 0 是美国s d 公刮j l ：发的试验模态分析和结构动力修改的动态