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《南方農(nóng)機(jī)雜志》2014年第四期

1缸體模態(tài)有限元分析

1.1缸體三維實體模型及有限元模型建立缸體是鑄造的箱體零件，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，有各種加強筋，凸臺，水套，油道等分布其中。運用UG進(jìn)行建模時，要有整體的規(guī)劃，先從大的特征入手，小的導(dǎo)角等留到最后。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立有限元模型的時候，不能使用軟件的自動劃分工能，必須手動劃分。以往有限元分析的經(jīng)驗是在劃分網(wǎng)格之前進(jìn)行幾何清理。在這里，由于模型很大，進(jìn)行幾何清理非常繁瑣，因而在這里不提前進(jìn)行清理，劃一部分清理一部分。有限元中，三維實體元主要有兩類：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元劃分時要求結(jié)構(gòu)的形狀比較規(guī)則，而對于內(nèi)燃機(jī)缸體這樣的復(fù)雜構(gòu)件，對其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動劃分是非常困難的。并且對于模態(tài)分析十節(jié)點四面體就能得到高精度的分析結(jié)果。因而在此運用十節(jié)點四面體。根據(jù)文獻(xiàn)[4]及缸體實際情況，選擇網(wǎng)格大小為6mm，為表現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征，局部可以縮小到3mm。圖1，圖2分別為缸體的三維實體模型及有限元模型，其中有限元模型共127，696個單元。

1.2材料參數(shù)缸體總成包括缸體與悶塞，由于做試驗的缸體是帶水套悶塞的，因而有限元計算的時也要加上這個部件。缸體、悶塞的材料參數(shù)見表1。

1.3有限元計算結(jié)果為了分析方便，建立以下坐標(biāo)系；曲軸方向為Y軸，氣缸中心線方向為Z軸，缸體橫向為X軸。圖3到圖9為缸體在自由狀態(tài)下的前十階振型云圖。第一階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)的中間平面為缸體縱向的中間平面，距中間平面越遠(yuǎn)，振幅越大；第二階彎曲振動，中間和兩頭振動較大；第三階為撓Z軸的扭，中間兩個氣缸變形較大。

2缸體模態(tài)試驗

本次試驗采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所的DASP系統(tǒng)。圖6為設(shè)備的原理示意圖。模態(tài)試驗時，測試點所得到的信息要求有盡可能高的信噪比，因此測試點不應(yīng)該靠近結(jié)構(gòu)振動節(jié)點，圖7為本次測量的測點布置圖，測點用數(shù)量標(biāo)出。測量時，將缸體用柔性繩懸掛，懸掛點選擇前幾階振型振幅較小區(qū)域。將試驗中采集到的每次激勵的力信號、各測點三個方向響應(yīng)的加速度信號數(shù)據(jù)，在模態(tài)分析軟件上進(jìn)行處理，得到頻響函數(shù)。進(jìn)行模態(tài)擬合后，識別得到缸體的模態(tài)參數(shù)。圖8是本次測量現(xiàn)場圖片。激勵，采集數(shù)據(jù)之后就是數(shù)據(jù)的分析處理過程。DASP系統(tǒng)能夠方便的對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖9是本次試驗處理后的結(jié)果。

3有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

為了驗證有限元分析模型的準(zhǔn)確性，對有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果的低階模態(tài)進(jìn)行了對比。有限元計算結(jié)果和實驗結(jié)果對比見表2。從表中可以看出，有限元計算與實驗值的最大相對誤差為5.7％，其余各階均在5%以內(nèi)，基本滿足CAE分析準(zhǔn)確性要求。由此說明，仿真模型是可靠的，可以反應(yīng)缸體的動態(tài)特性。

4結(jié)語

筆者在對柴油機(jī)缸體模態(tài)分析與試驗驗證過程中，有以下幾點心得或結(jié)論：1）對缸體進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析。2)通過實驗數(shù)據(jù)校核，仿真模型最大相對誤差為-5.7%，其余各階均在5%以內(nèi)，滿足CAE分析要求。3)缸體第一階固有頻率為626HZ。前三階主要是缸體作為一個整體的整體彎扭；四到八階為主軸承座和缸體連接區(qū)域的局部模態(tài)；八階以后為主軸承座與橫隔板的往復(fù)振動以及缸體側(cè)面局部振動。從模態(tài)分析結(jié)果可知。低頻激勵主要激發(fā)缸體整體的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動。高頻激勵可能使主軸承和缸體側(cè)面產(chǎn)生局部振動。這些模態(tài)是產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要模態(tài)。

作者：石勇曾小春胡縣文于全慶單位：江鈴汽車股份有限公司發(fā)動機(jī)開發(fā)部