新型中速柴油机的振动响应计算与测量分析

减 振 与 降 噪收 稿 日 期 : 2008203211新 型 中 速 柴 油 机 的 振 动 响 应 计 算 与 测 量 分 析杨 建 国 1 , 张 晓 铭 2 , 陆 松 华 1(11武 汉 理 工 大 学 , 湖 北 武 汉 430063, 21镇 江 中 船 设 备 有 限 公 司 , 江 苏 镇 江 212011)摘 要 : 建 立 了 624型 中 速 柴 油 机 的 几 何 模 型 , 划 分 了 有 限 元 网 格 , 计 算 了 轴 承 力 和 侧 推 力 等 主要 激 励 力 , 定 义 了 边 界 条 件 , 并 应 用 有 限 元 法 进 行 了 振 动 响 应 分 析 计 算 , 进 行 了 624型 柴 油 机 的振 动 测 量 , 有 限 元 振 动 响 应 分 析 结 果 与 振 动 测 试 结 果 对 比 分 析 表 明 : 建 立 的 有 限 元 模 型 合 理 可 行 , 可用 于 柴 油 机 的 研 发 。关 键 词 : 有 限 元 法 ; 振 动 测 试 ; 振 动 响 应 计 算中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 100124357 (2008) 0320037204 a 130063; 21o. , L , 12011)24 is as is is to is be on of 引 言解 决 柴 油 机 振 动 问 题 可 采 用 理 论 分 析 和 试 验 研究 两 种 方 法 。 采 用 理 论 分 析 方 法 时 , 需 要 建 立 系 统的 力 学 模 型 , 采 用 数 学 公 式 推 导 获 得 解 析 解 或 通 过计 算 机 获 得 数 值 解 。 采 用 有 限 元 分 析 法 ( ,通 过 对 振 动 结 构 的 离 散 化 , 考 虑 合 理 的 边 界 条 件 和连 接 条 件 , 可 求 解 柴 油 机 在 复 杂 激 励 作 用 下 的 振 动响 应 。 采 用 试 验 研 究 方 法 时 , 可 模 拟 振 动 结 构 的 工作 条 件 , 施 加 已 知 的 激 励 力 , 测 量 其 振 动 响 应 , 以验 证 理 论 分 析 结 果 的 正 确 性 , 或 研 究 系 统 的 固 有 特性 。 由 于 测 试 和 分 析 仪 器 的 不 断 发 展 和 完 善 , 振 动测 试 已 成 为 一 种 独 立 的 解 决 问 题 方 法 1 。 理 论 分析 和 试 验 研 究 方 法 的 相 互 补 充 、 相 互 促 进 , 可 以 解决 柴 油 机 的 振 动 问 题 。2 有 限 元 振 动 响 应 分 析211 模 型 建 立 和 材 料 属 性 定 义624型 柴 油 机 为 &W 公 司 设 计 由 镇江 中 船 设 备 有 限 公 司 生 产 制 造 的 新 型 船 用 中 速 柴 油机 。 该 机 采 用 了 模 块 化 设 计 技 术 , 系 统 集 成 度 高 ,具 有 布 局 简 单 、 无 管 道 设 计 、 独 立 气 缸 单 元 等 特点 。 本 文 采 用 野 火 版 0软 件 , 建 立 了 柴 油机 各 部 件 的 三 维 实 体 模 型 , 最 后 装 配 成 整 机 模 型 。由 于 几 何 模 型 直 接 影 响 分 网 过 程 和 网 格 形 式 ,因 此 几 何 建 模 时 并 不 总 是 完 全 照 搬 结 构 的 实 际 形状 , 应 根 据 形 状 和 边 界 条 件 的 特 点 对 结 构 进 行 必 要的 简 化 、 变 换 和 处 理 , 以 建 立 网 格 划 分 合 理 和 降 低第 30卷 (2008)第 3期 柴 油 机D 30 (2008) 3模 型 规 模 的 几 何 模 型 。 考 虑 到 624型 柴 油 机 的结 构 特 点 , 本 文 制 定 了 具 体 的 模 型 简 化 处 理 方 法 。(1) 忽 略 了 一 些 局 部 结 构 2 。 由 于 基 于 实 体模 型 的 柴 油 机 有 限 元 模 型 是 为 振 动 响 应 分 析 作 准 备的 , 与 应 力 分 析 、 变 形 分 析 不 同 , 它 不 需 了 解 柴 油机 局 部 的 特 性 和 应 力 状 况 , 可 以 对 安 装 柴 油 机 附 件用 的 凸 台 、 小 的 螺 栓 孔 、 油 道 、 油 孔 等 对 整 体 特 性影 响 较 小 的 局 部 结 构 予 以 忽 略 。(2) 简 化 了 局 部 结 构 的 细 节 。 如 对 结 构 结 合处 的 圆 角 、 倒 角 等 细 节 予 以 简 化 , 对 于 整 体 的 振 动模 态 等 动 力 学 特 性 影 响 小 , 且 这 些 细 节 结 构 网 格 划分 困 难 大 。(3) 忽 略 柴 油 机 外 表 面 的 加 强 筋 。 噪 声 辐 射主 要 由 弯 曲 振 动 激 励 引 起 , 可 忽 略 加 强 筋 对 其 影响 。(4) 螺 栓 孔 的 处 理 。 在 实 际 工 作 中 由 于 装 上螺 栓 后 局 部 刚 度 得 以 加 强 , 在 柴 油 机 模 态 分 析 时 可以 忽 略 其 孔 型 结 构 。 而 本 文 中 在 机 体 和 油 底 壳 相 组合 的 部 位 , 则 保 留 了 两 者 连 接 的 螺 栓 孔 , 以 便 真 实地 模 仿 实 机 工 作 。工 程 几 何 模 型 确 定 以 后 , 须 将 其 转 化 为 合 理 的有 限 元 模 型 , 这 是 保 证 有 限 元 分 析 质 量 和 精 度 的 关键 。在 模 型 导 入 和 网 格 划 分 过 程 中 , 可 能 会 出 现 导入 失 败 或 者 网 格 划 分 失 败 的 情 况 。 这 主 要 是 由 于 结构 非 常 复 杂 , 三 维 实 体 造 型 的 一 些 细 节 存 在 问 题 或者 过 细 导 致 失 败 , 这 就 需 要 修 改 实 体 模 型 , 模 型 修改 繁 琐 费 时 。 如 果 网 格 划 分 数 量 太 大 , 往 往 不 利 于计 算 或 者 计 算 无 结 果 。 因 此 , 应 在 保 证 精 度 的 前 提下 , 减 小 模 型 的 规 模 , 这 也 是 有 限 元 建 模 的 基 本 原则 3 。 图 1为 624柴 油 机 有 限 元 网 格 模 型 。图 1 624柴 油 机 网 格 模 型零 件 材 料 属 性 定 义 见 表 1。212 边 界 条 件 定 义 4 5 曲 柄 连 杆 机 构 是 构 成 柴 油 机 的 基 本 机 构 , 本 文分 析 了 曲 柄 连 杆 机 构 的 受 力 , 通 过 测 量 的 气 体 压 力示 功 图 (见 图 2) , 计 算 出 轴 承 力 和 侧 推 力 , 经 过 转 化 为 频 域 力 , 作 为 柴 油 机 频 响 分 析 的 主要 激 励 力 。表 1 零 件 材 料 属 性 定 义零 件 名 称 弹 性 模 量 / 松 比 密 度 / ( kg/缸 套 12215 013 7 270缸 套 环 149 013 7 200缸 盖 141 013 7 800机 体 150 0127 7 000水 套 140 0125 7 000油 底 壳 200 0126 7 850飞 轮 200 0126 7 850图 2 第 四 缸 示 功 图(1) 计 算 轴 承 力 和 侧 推 力如 图 3, 连 杆 小 端 的 总 作 用 力 期 变 化 的气 体 压 力 总 往 复 惯 性 力 和 。 连 杆 小 端 的总 作 用 力 解 为 活 塞 侧 推 力 连 杆 推 力连 杆 推 力 递 至 连 杆 大 端 , 可 分 解 为 法 向力 切 向 力 进 一 步 求 出 轴 承 力 。总 作 用 力 :P = 1)侧 推 力 : P 2 - P 2 )连 杆 推 力 : P / 1 3)法 向 力 : Pc + ) (4)切 向 力 : Pc + ) /2 (5)其 中 : = (6) =R /L (7) 柄 半 径 , 杆 长 度 。83 柴 油 机 第 30卷 第 3期图 3 受 力 分 析(2) 频 域 载 荷 计 算将 以 上 计 算 得 到 的 时 域 载 荷 用 快 速 傅 立 叶 变 化转 化 为 频 域 载 荷 , 计 算 频 段 为 0 1 000 频 率分 辨 率 为 215 其 主 要 频 域 载 荷 如 下 : 气 体 压 力 (图 4) ; 力 (图 5、 6) ; 侧 推 力 (图 7)。图 4 第 四 缸 气 体 压 力 幅 频 图图 5 第 四 档 轴 承 力 水 平 分 力 幅 频 图图 6 第 四 档 轴 承 力 垂 直 分 力 幅 频图 7 第 四 缸 活 塞 侧 推 力 幅 频 图213 频 响 分 析(1) 计 算 方 法整 机 可 近 似 看 作 是 一 多 自 由 度 的 弹 性 系 统 , 其强 迫 振 动 方 程 为 :M x + C x + K x = F ( t) (8)结 构 强 迫 振 动 方 程 求 解 有 两 种 方 法 : 模 态 叠 加法 和 直 接 积 分 法 。 对 于 大 规 模 问 题 , 利 用 模 态 法 可使 问 题 规 模 减 小 , 使 数 值 求 解 更 为 高 效 。 本 文 采 用模 态 法 求 解 有 限 元 模 型 。 根 据 振 动 理 论 可 知 , 结 构的 低 阶 模 态 对 振 动 响 应 影 响 较 大 , 高 阶 模 态 的 影 响可 忽 略 不 计 , 本 文 只 计 算 1 000 的 约 束 模 态作 为 叠 加 模 态 , 进 行 整 机 振 动 响 应 分 析 。(2) 计 算 工 况稳 定 工 况 下 , 转 速 : 1 000 r/m 负 荷 :75%。(3) 计 算 参 数 设 置计 算 频 段 为 0 1 000 步 长 为 5 4) 计 算 结 果图 8为 在 振 动 频 率 150 机 表 面 振 动 加 速度 响 应 云 图 。 可 以 看 出 , 整 机 各 部 件 中 , 振 动 总 体趋 势 是 : 缸 盖 振 动 最 强 , 从 上 往 下 逐 步 减 弱 , 但 油底 壳 处 存 在 局 部 振 动 。图 8 整 机 表 面 振 动 加 速 度 响 应 云 图 (150 振 动 测 试为 了 解 624型 柴 油 机 振 动 情 况 , 更 好 地 确932008年 5月 杨 建 国 等 : 新 型 中 速 柴 油 机 的 振 动 响 应 计 算 与 测 量 分 析定 振 动 仿 真 的 边 界 条 件 , 验 证 有 限 元 模 型 的 准 确性 , 对 624型 柴 油 机 进 行 表 面 振 动 测 试 。311 测 试 系 统 的 构 建根 据 测 试 内 容 , 整 个 测 试 系 统 由 加 速 度 传 感器 、 采 集 前 端 及 测 试 软 件 ,如 图 9所 示 。图 9 测 试 系 统 组 成各 种 信 号 通 过 传 感 器 , 经 过 相 应 的 信 号 调 理 进入 A / 采 集 卡 , 以 数 字 信 号 的 形 式 进 入 计 算机 , 然 后 对 其 进 行 相 应 地 处 理 、 分 析 。加 速 度 传 感 器 : 采 用 B& 4508型 传 感器 。 : 具 有 16通 道 麦 克 风 通 道 ,16通 道 智 能 数 采 通 道 及 两 通 道 转 数 跟 踪 , 每 通 道最 高 采 集 频 率 为 20418 试 分 析 软 件 采 用 . A , 集 高速 多 通 道 数 据 采 集 与 试 验 、 分 析 、 电 子 报 告 工 具 为一 体 , 其 功 能 包 括 数 据 采 集 、 数 字 信 号 处 理 、 结 构试 验 、 旋 转 机 械 分 析 、 声 学 和 环 境 试 验 。312 测 点 布 置 及 测 试按 照 实 际 要 求 , 在 柴 油 机 表 面 所 布 点 处 (如图 10) 用 振 动 传 感 器 测 量 振 动 加 速 度 信 号 ; 根 据分 析 要 求 , 设 置 采 集 带 宽 为 8 频 率 分 辨 率 为1 测 量 了 3次 平 均 的 振 动 数 据 ; 采 用 平 均 方 法采 集 的 数 据 用 于 振 动 信 号 频 域 分 析 。4 频 响 分 析 与 测 试 结 果 对 比 分 析 同 一 工 况 : 1 000 r/m 75% ; 采 用 加 速 度 传 感 器 测 量 柴 油 机 表 面 振 动 时 ,根 据 分 析 要 求 , 设 置 采 样 频 率 为 8 频 率 分 辨率 为 1 测 量 振 动 的 数 据 3次 平 均 ; 柴 油 机 有 限 元 振 动 响 应 计 算 中 , 计 算 频 段 为0 1 000 步 长 为 5 柴 油 机 表 面 振 动 的 频 谱 进 行 对 比 , 分 析 振 动能 量 在 频 率 上 的 分 布 情 况 。图 10 测 点 分 布 图图 11 ( a) 为 油 底 壳 中 部 振 动 加 速 度 频 谱 对 比图 。 可 以 看 出 , 有 限 元 计 算 和 实 测 结 果 的 幅 值 在 频率 上 分 布 趋 势 基 本 一 致 , 都 在 250 出 现 峰值 , 计 算 值 与 实 测 值 比 较 接 近 于 1 700 m / 且 振动 能 量 主 要 集 中 在 200 300 500 700 800 000 。图 11 ( b) 为 机 体 靠 飞 轮 端 处 振 动 加 速 度 频 谱对 比 图 。 对 比 两 图 可 以 看 出 , 实 测 波 形 在 700800 000 附 近 能 量 较 大 , 而 计 算 波 形能 量 除 了 集 中 在 以 上 两 处 外 , 还 主 要 集 中 在 200 计 算 波 形 幅 值 较 大 ; 而 且 在 1 000 , 实测 波 形 最 大 幅 值 为 2 000 m / 计 算 波 形 最 大 幅 值为 1 500 m / 上 述 分 析 可 以 得 到 如 下 结 论 :(1) 从 柴 油 机 表 面 振 动 频 谱 分 布 看 , 有 限 元计 算 结 果 与 实 测 结 果 的 能 量 分 布 趋 势 相 近 , 各 主 要特 征 频 率 明 显 , 部 分 频 率 的 幅 值 较 接 近 ;(2) 实 测 和 计 算 结 果 存 在 误 差 , 但 基 本 反 映柴 油 机 的 主 要 振 动 特 征 , 说 明 有 限 元 计 算 模 型 基 本正 确 , 为 柴 油 机 结 构 噪 声 预 测 奠 定 基 础 。5 结 论本 文 主 要 研 究 了 624型 柴 油 机 有 限 元 方 法频 响 分 析 和 振 动 测 试 。 模 型 的 规 模 大 小 和 建 模 的 准确 性 影 响 到 计 算 的 可 行 性 和 计 算 结 果 的 精 确 性 ; 定义 边 界 条 件 关 系 到 对 现 实 工 作 条 件 模 拟 的 准 确 性 和计 算 结 果 的 精 确 性 。 振 动 测 试 一 方 面 为 频 响 计 算 提供 原 始 数 据 (示 功 图 气 体 压 力 ) , 另 一 方 面 验 证 了有 限 元 模 型 的 准 确 性 和 响 应 计 算 的 精 确 性 。 通 过 对比 分 析 , 可 以 看 出 , 两 者 在 一 定 的 频 段 内 吻 合 得 比较 好 ,这 一 方 面 证 明 了 有 限 元 模 型 建 立 的 可 行 性 ,(下 转 第 49页 )04 柴 油 机 第 30卷 第 3期据 要 求 的 试 验 台 架 ;(4) 根 据 软 件 需 要 制 定 试 验 大 纲 , 按 照 模 拟计 算 和 计 算 对 比 的 要 求 测 量 相 关 数 据 ;(5) 输 入 有 效 的 数 据 以 保 证 模 型 的 计 算 精 度 ;(6) 与 试 验 结 果 进 行 有 效 的 比 较 , 尤 其 是 要考 虑 计 算 和 试 验 的 边 界 条 件 的 一 致 性 ;(7) 只 有 各 个 环 节 的 计 算 和 试 验 值 趋 于 一 致 ,其 最 终 结 果 才 是 可 信 的 ;(8) 在 参 考 机 型 的 模 拟 计 算 与 实 测 值 接 近 的基 础 上 才 能 进 行 优 化 设 计 。参 考 文 献 1 余 志 生 . 汽 车 理 论 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 . 2002. 2 倪 计 民 . 汽 车 发 动 机 原 理 M . 上 海 :同 济 大 学 出 版 社 3 倪 计 民 ,叶 军