油液对油底壳模态的影响分析_郭昂

1、第 37 卷第 1 期大 连 海 事大 学 学报Vol. 37N o. 12011 年 2月Journal of Dalian Maritime UniversityF eb. ,2011文章编号: 1006- 7736( 2011) 01-0118- 03油液对油底壳模态的影响分析郭昂, 于洪亮, 宋玉超( 大连海事大学轮机工程学院, 辽宁 大连116206)摘要: 针对柴油机湿式油底壳的振动特性问题, 以 4120s 型柴油机为例, 采用有限元法对不同充液量的油底壳模态频率和振型特征进行分析, 并对存在油液时的油壳系统进行增加加强板的结构改进. 结果表明: 随着机油量的增加, 油底壳模态频

2、率逐渐降低, 模态振型也发生了显著变化; 形貌优化后的油底壳, 固有频率有较大提高, 刚度大幅度增加, 有利于减振降噪.关键词: 模态分析; 充液; 油底壳; 有限元法( F EM )中图分类号: T K 421. 6文献标志码: AInfluence of oil liquid on the oil pan modalGU O A ng , YU Hong liang, SON G Yuchao使用, 从而加大了机械设备的振动和噪声.柴油机中油底壳部件表面积大, 并且由薄钢板冲压或铸造而成, 为薄壁型部件, 极易产生诱导振动, 其辐射噪声占整机辐射噪声的 20% 左右 1 , 因此, 在设计

3、阶段对油底壳的动态特性进行准确分析、预测和改进设计, 并避开主机激振力的共振频率, 对于柴油机整体的减振降噪具有重要意义. 目前对于油底壳的分析多限于不考虑壳内机油的影响 1- 4 , 这显然与实际情况不符. 本文结合 4120s 型柴油机,采用有限元方法, 对不同含油量的油底壳进行振动特性( 模态参数) 对比分析, 并对该湿式油底壳进行形貌优化设计.( M arine E ngineering College , Dalian M aritim e Un iversity, Dalian 116026, China)Abstract: Aiming at the vibration char

4、acter istics o f wet o il pan of diesel eng ine, t he finite element method( F EM ) w as used to an-alyze t he modal fr equency and v ibration model, and a structure improvement w ith adding a stiffening plate of o i-l pan system of 4120s diesel engine w as made. R esearch results show that the moda

5、l frequencies of oil pan decrease gr adually wit h the amount of eng ine oil incr easing, and modal shapes also have noticeable changes. T her e is a great incr ease of the inherency frequency and stiffness for the oil pan w ith topo graphy optimized, which is in faour of both v ibration and noise r

6、educing .Key words: modal analysis; filling liquid; oil pan; finite element metho d( F EM )0引 言内燃机转速和功率不断提高以及内燃机轻量化的发展趋势, 促使内燃机外壳变薄, 加速了新型材料1 模态分析理论 5结构振动问题, 目前主要采用有限元法进行分析, 即把机构离散成为有限个单元体, 求出单元刚度矩阵和单元质量矩阵, 按节点自由度序号对号, 对各单元刚度矩阵和质量矩阵组集, 得到总刚度矩阵 K 和总质量矩阵 M . 结构的通用动力方程为 M s + C s + K s = F( t ) ( 1)其中:

7、 s 为加速度向量; s 为速度向量; s 为节点位移向量; F ( t ) 为整体载荷向量; C 为复合阻尼.不考虑结构阻尼的影响和外界约束受力, 多自由度结构无阻尼振动方程( - f 2 M + K ) s = 0( 2)其中: f 为自由振动固有频率. 特征方程为| - f 2 M + K ) | = 0( 3)展开该行列式, 得到一个关于 f 的n 次多项式,多项式的根( 特征值) 即为模型的固有频率. 将特征值带入式( 2) , 即可求出特征向量, 从而获得给定频收稿日期: 2010- 08- 03.作者简介: 郭昂( 1987- ) , 男, 山东济宁人, 研究生, E- mail

8、: g uoang 87 163. com.通信作者: 于洪亮( 1963- ) , 男, 山东莱阳人, 教授, 博士生导师, E- mail: yhl1202 new mail. dlmu. edu. cn.第 1 期郭 昂, 等: 油液对油底壳模态的影响分析119率下的振型.匀自由网格划分.2 油底壳的模态分析2. 1 模型建立采用三维建模软件 pro e 建立 4120s 型柴油机油底壳的实体模型. 此处忽略了对整体结构和刚度影响不大的放油螺栓. 图 1( a) 为壳体模型; 图 1( b) 为含油量为油底壳内腔高度 3 4 的油壳模型.图 1 实体模型2. 2 构造有限元模型利用有限元

9、分析软件 ANSYS 中的模态分析模块进行壳的模态分析 6 . 结构材料为 A8 钢板( 弹性模量 E = 2. 1 1011 Pa, 泊松比 = 0. 3, 密度 = 7800 kg m3 ) . 采用实体单元进行网格划分较壳单元更为准确, 经综合分析后, 采用 10 节点实体单元solid92对实体模型划分均匀自由网格, 划分后的壳体模型如图 2 所示. 总共划分 22 493 个单元、45 281 个节点.图 2 实体有限元模型2. 3 油底壳模态分析结果油底壳通过 28 颗螺栓连接使油底壳上表面与曲轴箱紧固, 因此对油底壳上表面全约束, 采用 Block Lanczos 法提取结构的前

10、 10 阶约束模态. 提取的纯壳体的模态特征如图 3 和表 1 所示.因为壳的结构比较紧凑, 机油黏度较大, 并且在柴油机正常工况下晃动幅度较小, 将流体对固体的作用以固体附加质量形式出现, 可使流固耦合问题转化为固体动力学问题, 从而大大简化流固耦合系统的分析. 把壳体中液体质量附加到湿壳处, 这里采用增加湿壳处平均密度的方法来处理, 然后进行均图 3 第 1、3、5、7 阶位移云图表 1 干壳的前 10 阶模态阶次固有频率 Hz模态特征1172. 01上底面鼓胀波数为 12268. 51上底面前后鼓胀波数为 23 310. 19下底面鼓胀波数为 14 401. 36上下底面同时鼓胀波数为

11、55 408. 84上底面左右鼓胀波数为 26 422. 44上下底面同时鼓胀波数为 57 461. 59两侧板同向鼓胀波数为 18 481. 95两侧板反向鼓胀波数为 19 523. 45后侧板鼓胀波数为 110 545. 12两侧板同向鼓胀波数为 1定义充液比( ) 为油液高度与油底壳内腔高度之比, 令 = 1 8、2 8、3 8、4 8、5 8、6 8, 得到不同充液比时的湿壳前 10 阶约束模态( 表 2) , 其变化幅度如图 4 所示.表 2不同充液比时的油底壳模态频率阶模态频率 Hz次= 0= 1 8 = 2 8 = 3 8 = 4 8 = 5 8 = 6 81172. 01160

12、. 50159. 70127. 1393. 6082. 1077. 772268. 51202. 36172. 68160. 75151. 74129. 47121. 963310. 19250. 47236. 90201. 99164. 16144. 55137. 164401. 36283. 69252. 23225. 33210. 87195. 15182. 935408. 84357. 92309. 92281. 30229. 91198. 14186. 746422. 44382. 69353. 10304. 17253. 80204. 85191. 297461. 59386. 3

13、2374. 47309. 49260. 62218. 92200. 158481. 95407. 38378. 47325. 38272. 22226. 74206. 319 523. 45 413. 31 386. 41 336. 65 283. 00 243. 39 223. 7110 545. 12 424. 36 389. 77 342. 94 303. 27 264. 48 247. 97由图 4 可知, 油底壳的固有频率随着所含机油量的增加逐渐降低. 液体的存在对油壳整体质量的影响大于对整体刚度的影响, 从而大大降低了系统的固有频率, 前 10 阶模态频率中最大下降幅度达57% .

14、 并且, 随着油液量的增加, 湿壳模态频率降低幅度都有进一步升高的趋势. 图 5 为充液比分别为 1 2、3 4 时的第 1、3、5、7 阶的模态振型图.120大连海事大学学报第 37 卷本文设计的油底壳加肋方案如图 6 所示.在 = 1 2 工况下, 比较油底壳原型和加肋处理后的有预紧力的实际工况下的模态变化, 得到的固有频率如表 3 所示, 第 6 阶振型的变化如图 7 所示.图 4模态频率变化幅度图 5充液比分别为 1 2、3 4 时第 1、3、5、7 阶位移云图油液的存在使某些阶次的模态振型发生了显著变化. 以充液比为 1 2 的湿壳为例, 第 3 阶振型由波数为 1 的下底面鼓胀,

15、变为波数为 2 的上底面前后鼓胀; 第 7 阶振型由两侧板同向鼓胀, 变为波数为 3 的上底面前后鼓胀; 并且, 油液的存在使油底壳发生明显振动的部位增加, 降低了油底壳的局部振动特性, 提高了整体振动特性.3 基于湿壳的结构优化结构振动较大的部位, 多是能量集中的部位 7 , 对该处进行加肋优化更有利于提高系统整体刚度.在保证不影响安装和系统质量变化不大的前提下,图 6 加肋后的油底壳模型表 3 改进后的油底壳和原型的模态频率对比阶次模态频率 Hz模态频率升高率 %原型加肋后193. 599122. 84312151. 74180. 18193164. 16210. 45284210. 87

16、260. 47245229. 91287. 21256253. 80355. 95407260. 62362. 48398272. 22380. 21409283. 03398. 234110303. 27425. 5640图 7第 6 阶振型对比由图 7 可以看出: 加肋后, 系统振型改变, 其中第 6 阶振型由侧面鼓胀变为两波数的下底面鼓胀;各阶模态频率都有较大幅度的提高, 最大达 41%, 从而大幅度提高了系统的整体刚度, 这对降低主机激振力引起的振动和噪声具有重要意义.4结 论( 1) 油液的存在使油底壳的振型发生变化, 固有频率下降. 且随着充液比的升高, 固有频率下降幅度增大. (

17、 2) 对振动能量大的部位, 通过加肋优化处理,使模态频率和结构刚度大幅度提高, 对于减振降噪有重要意义. ( 下转第 123页)第 1 期刘德良, 等: 点接触弹流问题的数值分析123加, 膜厚也显著增加, 油膜的平行区缩短, 二次压力峰的高度也随之增加. 计算结果比较表明, 速度是影响弹流膜厚的主要因素.由图 1( c) 、图 23 中的压力和膜厚曲线可以看出, 与速度参数相比, 载荷对膜厚的影响要小得多,尤其是当在无量纲载荷达到 10- 6 量级以后, 载荷对膜厚的影响是微小的, 这正是弹流润滑理论区别于经典润滑理论的重要特征.图 4算例 4 截面图随着速度的减小和荷载的增加, 在低速或

18、极重载情况下, 点接触弹流的压力分布及膜厚形状均会与赫兹理论结果趋于一致.3结 论图 5算例 5 计算结果新月形的二次压力峰区, 中心面上的压力峰数值最高, 并且与接触中心的距离最近, 这与文献 6 的数值解以及试验结果一致, 说明本研究所采用的计算方法是正确性.由图 1( c) 、图 4、图 5( c) 中的压力和膜厚曲线可以看出, 在其他参数不变情况下, 随着速度参数的增本文采用复合直接迭代法数值求解等温弹流点接触问题, 数值解正确反映了弹流润滑状态下接触区流体压力分布、弹性体的弹性变形, 获知载荷和速度对润滑状态的影响. 本研究可作为点接触弹流问题的验证与补充.参考文献( Referen

19、ces) : 1 DOWSON D, H IGGI NS SO N G R.Elasto- hydrody namicLubrication M . Ox for d: P erg amon Press, 1977. 2 HAM RO CK B J, DOWSON D.Isothermal elasto- hydrody-namic lubricat ion of point contacts,Part: fully floodedresults J . ASM E Journal ofLubricationT echnolo gy,1976, 99( 2) : 264- 276. 3 温诗铸. 摩擦学原理 M . 北京: 清华大学出版社, 2008. 4 卢洪, 杨沛然. 用多重网格法准确计算弹流润滑膜厚度的方法 J . 润滑与密封, 2010, 35( 4) : 5- 9. 5 任伟, 陈家庆, 高岩. 多重网格法在非 Hertz 接触问题中的应用 J . 轴承, 2008( 3) : 1- 5. 6 温诗铸, 杨沛然. 弹性流体动力润滑 M . 北京: 清华大学出版社, 1998.( 上接第 120 页)参考文献( References) : 1 M AN DA L K A, T HERT ON D L . A study of magnetic flux-