第4章 曲轴模态分析.docx

第4章 曲轴模态分析 模态分析分为三大类：自由模态分析、约束模态分析、带预应力的模态分析。自由模态和约束模态只是边界条件不同而已，所谓“自由”就是被分析的部件没有任何的约束，有限元分析的频率就是部件的固有频率，而约束模态是分析前处理好部件工作时的边界条件，模拟工况，在实际工程中，自由和约束两种边界广泛的存在，如飞机、火箭、导弹、子弹等为自由边界条件，而机床、发动机零件等为约束边界条件。对曲轴的自由模态分析可以求得曲轴的固有频率、振型等，了解曲轴的自身特性，为以后的动力学分析奠定了基础。4.1 曲轴模态分析步骤与操作4.1.1 模态分析步骤有限元模态分析的步骤如下图4.1.2 模态分析具体操作1、模态分析前处理：第2章建立好的有限元模型已经做好前处理，直接调用曲轴有限元模型。2、模态分析求解：（1）SolutionAnalysis TypeNew AnalysisModel，新建求解类型为模态求解；（2）在Analysis Option 中，选择算法，选择“Block Lanzcons”,选择10阶矩阵运算；（3）在算法选项中选择截止频率为“100000”，设置求解频率范围；（4）依次选择：SolutionsolveCurrent LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。依次点击：General PostprocResults Summary，出现计算的结果，即曲轴的固有频率。3、进行模态扩展求解（1）依次选择：SolutionLoad step optsExpansionPassSingle ExpandExpand Model，进行设置。频率范围：0100000 ；（2）依次选择：SolutionLoad step optsDB/Results File，选择每步操作都进行到每个子空间（Substep）；（3）依次选择：SolutionLoad step optsSolu Pintout，选择Every substep；（4）依次选择：SolutionsolveCurrent LS，跳过步骤中警告，观察运行代码，并等待运算结束。（5）待出现“Solution done”提示，点击“Close”。 4、查看各种振型（1）依次选择：General PostprocRead ResultFirst Set，读取第一阶振型；（2）依次选择：General Postproc Plot ResultsContour PlotNodal Solu，选择Displacement vector sum，查看总变形图。注意：每查看一种振型，要选择“Next Set”，在重复第（2）步操作查看振型图。4.2 自由模态分析4.2.1 边界条件本章节是计算曲轴的自由模态，所以不需要对曲轴添加任何的约束与力。取第2章节中的曲轴有限元模型进行模态分析，为保证计算结果能真实的反映曲轴的动态特性，本文以整根曲轴作为研究对象。由振动理论可知，引起发动机共振的频率都是曲轴较低阶次的固有频率。因此我们在求解扩展模态时提取前10阶模态就能达到目的；因为三维结构的模型在无约束边界条件下的前6阶固有频率是接近于0的刚体模态，真正的第一阶模态应该是从第7阶开始，及往后的10阶模态。表4-1为曲轴前10阶非零模态固有频率。表4-1 曲轴前10阶非零模态固有频率阶数12345678910固有频率（HZ）300.74441.12674.77727.38827.90986.641133.91434.81803.31984.2图4-1 曲轴第一阶模态振型图图4-2 曲轴第二阶模态振型图图4-3 曲轴第三阶模态振型图图4-4 曲轴第四阶模态振型图图4-5 曲轴第五阶模态振型图图4-6 曲轴第六阶模态振型图图4-7 曲轴第七阶模态振型图图4-8 曲轴第八阶模态振型图图4-9 曲轴第九阶模态振型图图4-10 曲轴第十阶模态振型图表 4-2阶数固有频率（HZ）最大变形量（mm）振型13007471.632441.1279.533674.7773.754727.3889.895827.9062.266986.6470.3971133.987.1881434.873.3691803.3102.17101984.295.39由上面的求解结果和模态振型可知，在曲轴的前10阶模态中，其最低频率为300.74HZ，随着阶次的上升，其频率也随之增大。可是，从发动机各部件这间的动态干扰性来说，考虑到此发动机的转速范围是5003000n/min，其基频为1550HZ，而此发动机的最低阶模态的固有频率远高于基频；所以，曲轴的设计避开了共振频率，动态性能已满足，结构设计是合理的。4.3 曲轴的约束模态分析约束模态分析是给分析对象添加边界条件的模态分析，约束模态更加接近曲轴的工程实际情况，更能反映出曲轴的动态特性。发支机曲轴在实际运动过程中，滑动轴承的约束会对曲轴的振动造成一定的影响，为实际模拟发动机曲轴的振动天幸，对曲轴进行约束模态分析，其前处理与自由模态分析相同。4.3.1 边界条件发动机曲轴实际工作时受到主轴承和止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有交防止曲轴的轴向窜动；此曲轴有5个主轴颈，为模拟主轴承和止推轴承的实际约束情况，分别对5个主轴颈表面施加径向对称约束，为控制发动机在工作时曲轴的窜动，又要保证曲轴受热膨胀，所以只能在曲轴一端面施加位移约束（X=0），如下图：4.3.2 模态分析结果阶数12345678910固有频率（HZ）529.41737.561522.11732.22419.72555.62668.52943.93139.43185.5图4-11 曲轴第一阶模态振型图图4-12 曲轴第二阶模态振型图图4-13 曲轴第三阶模态振型图图4-14 曲轴第四阶模态振型图图4-15 曲轴第五阶模态振型图图4-16 曲轴第六阶模态振型图图4-17 曲轴第七阶模态振型图图4-18 曲轴第八阶模态振型图图4-19 曲轴第九阶模态振型图图4-20 曲轴第十阶模态振型图阶数固有频率（HZ）最大变形量（mm）振型1524.4162.772737.5644.3431522.170.2341732.292.3552419.785.8362555.6113.3372668.5102.9482943.996.1393139.4168.07103185.5167.094.4曲轴带预应力的模态分析曲轴在实际工作时除了受轴承的约束，还受到来自连杆的推力；因此，为保证曲轴设计的安全性，还应对曲轴进行带预应力的模态分析。4.4.1 边界条件建立在约束模态的基础上，施加连杆的推力约束。发动机气缸最大爆发压力时，曲轴的受力是最大的，位于上止点转过10度，计算出曲轴