某型柴油機(jī)缸體動(dòng)態(tài)特性分析

李 浩，蔡少波

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

模態(tài)分析是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的一種近代方法，它使系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)和噪聲領(lǐng)域中得到了很大的應(yīng)用，提供了研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的一種有效途徑。柴油機(jī)缸體的模態(tài)是柴油機(jī)缸體的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。柴油機(jī)缸體的模態(tài)分析可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模態(tài)分析有十分重要的意義。

近年來，隨著動(dòng)態(tài)測(cè)試、信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)建模技術(shù)有了比較大的進(jìn)步，建立在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基礎(chǔ)上來分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性愈發(fā)成為一種趨勢(shì)，而將有限元法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，可以更加完整并準(zhǔn)確得分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，先采用有限元方法建立結(jié)構(gòu)有限元模型,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而為以后的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。本文以4C6-65M22型柴油機(jī)缸體為研究對(duì)象，對(duì)它進(jìn)行了模態(tài)分析和試驗(yàn)。

1 缸體試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是基于系統(tǒng)響應(yīng)和激振力的動(dòng)態(tài)測(cè)試，由系統(tǒng)輸入(激振力)和輸出(響應(yīng))數(shù)據(jù),經(jīng)信號(hào)處理求得傳遞函數(shù),然后運(yùn)用參數(shù)識(shí)別技術(shù)確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般由以下三部分組成:激振部分、拾振部分和分析顯示記錄部分。圖1為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)構(gòu)成圖。

1.2 測(cè)試方案和內(nèi)容

在模態(tài)試驗(yàn)中,試件的支承方式?jīng)Q定著試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的邊界條件,影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。本次試驗(yàn)是要獲得缸體在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，因此采用自由支承的方式，用彈性繩將缸體懸掛起來，讓它處于“自由”狀態(tài)。

考慮柴油機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)和阻尼較小，振動(dòng)能量在結(jié)構(gòu)的傳遞較少，采用錘擊法脈沖激勵(lì)方式進(jìn)行激振，該方法易于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，且精度高；采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。

為了能夠準(zhǔn)確全面地反映缸體的整體輪廓同時(shí)保證關(guān)鍵部位都被選為測(cè)量點(diǎn)，最終在缸體外表面布置了131個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中每個(gè)點(diǎn)測(cè)量了三個(gè)方向(X、Y、Z)的振動(dòng)響應(yīng)。缸體測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格化后的模型如圖2所示。

試驗(yàn)時(shí)，用力錘給缸體加激振力,同時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)。激振力通過力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),響應(yīng)信號(hào)通過加速傳感器將測(cè)點(diǎn)的加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大輸入到動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)中，采集不同測(cè)點(diǎn)處缸體的振動(dòng)波形，然后對(duì)各波形進(jìn)行頻譜分析，最終在模態(tài)分析軟件中經(jīng)過模態(tài)擬合得到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的各階固有頻率。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性,要求激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)有較好的相關(guān)性。本試驗(yàn)通過各個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的相干函數(shù)對(duì)比后,選擇相干性好的點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)。試驗(yàn)中，激勵(lì)點(diǎn)與某兩拾振點(diǎn)的相干函數(shù)如圖3所示；缸體兩側(cè)點(diǎn)的頻響圖如圖4所示。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的有限元模態(tài)分析

2.1 缸體實(shí)體模型的建立

4C6-65M22型柴油機(jī)缸體為四缸直列式柴油機(jī)缸體，是一個(gè)經(jīng)過鑄造和機(jī)加工之后得到的箱體式構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在缸體上分布著加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、螺栓孔、軸承孔、冷卻水通道、油道孔等，在建立實(shí)體模型時(shí)，不必要把所有的細(xì)節(jié)表現(xiàn)出來，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響意義不大的地方必須要進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。

2.2 缸體有限元模型的建立

在UG中將模型保存成igs格式導(dǎo)入到hypermesh中進(jìn)行前處理，改正模型在導(dǎo)入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，消除一些不必要的小細(xì)節(jié)，得到比較簡(jiǎn)化的部件模型，以便進(jìn)行后面的網(wǎng)格劃分。

在hypermesh中采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元來劃分發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，比較簡(jiǎn)單靈活也能夠保證精度，可以很好的適用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模型。首先在Hypermesh中利用2D菜單的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能在缸體的表面生成8 mm的三角形表面單元，在全部生成面網(wǎng)格之后，進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的網(wǎng)格單元進(jìn)行修改，直到所有的面單元網(wǎng)格質(zhì)量合格。在面網(wǎng)格劃分完成后，利用Tool菜單中的edges功能檢查確定是否還存在自由邊，如果出現(xiàn)紅色的自由邊表明不封閉，需要對(duì)出現(xiàn)自由邊的網(wǎng)格單元進(jìn)行修改，確保面網(wǎng)格形成了一個(gè)封閉的整體之后，利用3D菜單中的tetramesh功能進(jìn)行四面體單元的網(wǎng)格劃分，利用已有的面網(wǎng)格，采用向里推進(jìn)的方式，生成3D體單元網(wǎng)格，對(duì)生成的四面體網(wǎng)格進(jìn)行利用check elements菜單進(jìn)行3D網(wǎng)格質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量比較高，可以進(jìn)行模態(tài)分析，生成的四面體單元數(shù)為561 096,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 088 441。

4C6-65M22型柴油機(jī)缸體采用的材料為HT250鑄鐵，彈性模量為120 GPa，泊松比為0.26，抗拉強(qiáng)度為250 MPa，密度為7 300 Kg/m3。

圖5為生成的模態(tài)分析有限元模型。

2.3 缸體的模態(tài)分析

在hyperworks軟件optistruct模塊中，利用Block lanczos算法進(jìn)行柴油機(jī)缸體的自由模態(tài)分析，提取1～2 000 Hz內(nèi)的前十階固有頻率，忽略前六階剛體模態(tài)。計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證如表1所示,缸體的前六階模態(tài)振型如圖6所示。

表1 缸體自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

3 分析與結(jié)論

（1）應(yīng)用有限元分析和模態(tài)實(shí)驗(yàn)，模態(tài)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許的范圍之內(nèi),保證了有限元模型的可信性,以后的改進(jìn)和設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)。

（2）由缸體的一階扭轉(zhuǎn)振型和一階彎曲振型來看，扭轉(zhuǎn)中心在缸體中心線處，彎曲中心在二缸和三缸的交界平面處，因此缸體裙部的中間部位和第二、三缸交界處尤其是中間的主軸承座處是缸體剛度的薄弱部位，容易疲勞損壞。缸體底座處的四個(gè)邊角處的相對(duì)振動(dòng)位移比較大，會(huì)引起與其相連部件的振動(dòng)，對(duì)基座的固定應(yīng)予以重視。

（3）從多階振型可以看出，缸體裙部的剛度比較差，振型主要表現(xiàn)為開合彎曲振動(dòng)和主軸承座的往復(fù)振動(dòng)，容易對(duì)主軸承座造成較大的沖擊，造成主軸承座的斷裂。

（4）從分析結(jié)果來看，可以適當(dāng)對(duì)缸體進(jìn)行一些改進(jìn)工作，例如改進(jìn)缸體的材料，增加中間隔板的厚度，增加缸體裙部加強(qiáng)筋的厚度和高度，以增加缸體的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

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