高速越野训练中曲轴模态分析

高速越野训练中曲轴模态分析

1振动特性分析作为一种复杂的柔性连续体，这对发动机的nvh有重要影响。在发动机高速运转中,曲轴的扭转振动往往成为曲轴断裂的主要原因。要设计一款曲轴,必须考虑其振动、噪声等特性,而对曲轴的模态分析却是必不可少的。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法,是系统辨别方法在工程振动领域的应用。态是机械结构固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、振型,这些参数可以由计算或试验取得。讨论的是模态分析中的计算模态分析。曲轴在工作过程中不断的受到复杂的交变的冲击载荷激励,随之产生了横向、纵向以及扭转振动,当某一激励力的频率和曲轴其中一阶固有频率相同或者相近时,产生轴系的共振,这足以导致曲轴的疲劳断裂。对曲轴的模态分析是对曲轴的振动特性分析,为振动故障及结构动态特性的优化设计提供依据。自由模态分析反应了曲轴刚体的固有特性,而约束模态分析更能够模拟曲轴安装在发动机缸体中所表现的固有特性。利用了有限元方法对V8发动机曲轴进行了约束模态分析,得到其固有频率和振型,为后续优化设计提供理论依据。2轴承建模2.1心式曲柄连杆机构的结构研究的V8发动机曲轴结构形式是十字轴式曲轴,采用的是并列连杆式的曲柄连杆机构,其动力学模型与中心式曲柄连杆机构很相似。曲轴共有5个主轴颈,曲轴的主要尺寸参数如下:主轴颈长度26mm,主轴颈直径62mm,曲柄销直径48mm。为了避免在ANSYSWorkbench中建模的复杂性,选择软件SolidWorks进行建模。采用SolidWorks建成的曲轴三维实体模型,如图1所示。2.2基于初始模型的分析参数设置一般在ANSYS中进行模态分析时,为了节省计算资源需要对复杂计算模型进行简化,但其结果必然会影响计算精度;所以考虑到ANSYSWorkbench能与三维设计进行无缝连接,也为了提高计算精度,没有对模型进行过多简化修改,直接将整体模型导入有限元分析软件中进行分析计算。在SolidWorks中将建好的曲轴三维模型保存为IGES文件,接着导入ANSYSWorkbench的Geometry中。进行模态分析前曲轴的材料参数设置,设置材料为40Cr,弹性模量为200GPa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m。最后进入Modal模块进行网格划分,网格划分采用四面体网格,网格大小合适,单元尺寸设置为10mm,共有76541个节点,43800个有限单元,有限元模型,如图2所示。2.3约束轴向窜动在对整体曲轴进行计算模态分析时,采用不同的约束对分析结果将会产生直接的影响,边界条件不同,所求得的模态参数也不同。针对发动机实际运行情况,曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束,纵向止推轴承可以有效防止曲轴的轴向窜动,保证连杆活塞组正常工作。该曲轴有5个主轴颈,模拟实际情况对曲轴的5个主轴颈分别施加无摩擦约束(Frictionlesssupport),即轴颈表面径向的对称约束。为控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动,在曲轴上设置有轴向定位装置。但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量,所以曲轴上只能有一处轴向定位。为模拟轴向定位约束,在曲轴后端面施加了轴向位移约束,即:X=0。3轴流场分析3.1广义特征值法曲轴结构阻尼较小,对其固有频率和振型的影响可以忽略不计,可以得到结构的无阻尼自由振动微分方程:Mx咬+Kx=f(t)(1)式中:M—总质量矩阵;K—总刚度矩阵;x咬—加速度列阵;x—位移列阵;f(t)—外部激励列阵,n×n阶。式中:φ—自由响应的幅值列阵。当φ非零时,这是一个广义特征值问题,ω2为特征值,准为特征矢量。(4)式也是以准中元素为变量的n阶代数齐次方程组,方程组有非0解的充要条件是其系数矩阵的行列式为零,即:上式称为特征值问题(4)的特征方程,它是关于ω2的n次代数方程,设无重根,解此方程得ω的n个互异正根ω0i(i=1,2,Λ,n),则:0<ω01<ω02<Λ<ω0n式中:ω0i—振动系统的第i阶主频率,此时对应无阻尼振动系统,主频率也就是结构的固有频率。将每一个ω0i(i=1,2,Λ,n)代入(4)式,得到关于准i中元素的具有n-1个独立方程的代数方程组,解得n个线性无关的非零矢量准φi的比例解,采用一定方法进行归一化,称为主振型(模态振型、模态矢量或模态),因对应的是无阻尼振动系统,故为固有振型,此时为实矢量:特征值与特征矢量为系统的特征对,将n个特征矢量准i按列排列排成一个n×n阶矩阵:为系统的特征矢量矩阵,此时求得的特征矢量为模态矢量,即为模态矩阵。3.2轴类阶次振型分析由于曲轴的低阶模态才对曲轴的振动分析有实际的参考价值,利用有限元软件求得了曲轴前10阶(n=10)模态,其中曲轴第1阶模态固有频率为0,为刚体的转动模态,对刚体的振动分析没有实际意义。各阶固有频率,如表1所示。表中:n—模态的阶次;ω—曲轴的固有频率。利用ANSYSWorkbench求出曲轴前10阶的振型。第1阶振型为转动的刚体振型,第2阶为曲轴整体的扭曲振动,其他阶次的振型大多表现为弯曲振型。选取具有代表性的3、4、5、8阶的振型图进行分析,如图3所示。从振型图可以看出,第3阶固有频率下发生曲轴的纵向弯曲振动,第二主轴颈上的平衡块变形较大;第4阶发生纵向弯曲振动,如图4所示。其中第四主轴颈上的平衡块变形较大;第5阶发生曲轴的横向弯曲振动,如图5所示。第四主轴颈部位平衡块变形较大;第8阶为两次横向弯曲振动,如图6所示。第二、第四主轴颈部位变形较大。从其他的振型图以及相应的动画中也可以看出第二、第四主轴颈的平衡块位移变化较大。4差面设计—结论(1)采用SolidWorks与ANSYSWorkbench之的结合应用,对高速赛车V8发动机曲轴进行了三维实体建模与有限元建模;避免了在ANSYS经典中会产生模型导入困难如丢失面或线等问题,使工作量大为减少。对曲轴模型进行了有效的网格划分与约束,使模态分析取得了良好效果。(2)通过模态分析计算,得到曲轴前10阶固有频率和振型。从振型图可以看出,第二、四主轴颈上的平衡块变形较大。在设计时应该通过改变平衡块大小、刚度等来改善曲轴