某柴油機主軸承蓋的模態分析

山西中北大學機械與動力工程學院 石亦琨 蘇鐵熊 苗會 李坤

某柴油機主軸承蓋的模態分析

山西中北大學機械與動力工程學院 石亦琨 蘇鐵熊 苗會 李坤

本文針對主軸承蓋在自由狀態下采用ANSYS軟件對其進行模態分析，結果表明，自由狀態下主軸承蓋的模態振型以彎曲和彎扭振動為主，通過主軸承蓋的模態振動特性分析，可以防止其與相鄰件發生共振，減小內燃機故障概率，為主軸承蓋的結構優化和技術改進提供了重要參考。

主軸承蓋；模態分析；柴油機

1 引言

隨著人類社會的不斷進步和發展，內燃機作為一種高效率的動力機械，其應用范圍越來越廣[1-4]。在內燃機的工作過程中，氣體力通過曲柄連桿機構作用在主軸承蓋上，使得其承受較大的壓力，同時往復慣性力和離心力又使其受到一定的彎曲和扭轉作用。為保證發動機正常工作，主軸承座必須要有足夠的強度和剛度來承受不同工況下的彎曲、扭轉和拉壓等作用力。

本文以某型柴油機的主軸承蓋為研究對象，對其進行模態分析，并對其頻率、振型和最大變形量進行了分析，為主軸承蓋的設計和優化提供了重要依據。

2 主軸承蓋有限元模型建立

2.1 主軸承蓋實體模型的建立

針對主軸承蓋的結構特點，本文采用Pro/E三維建模軟件進行實體模型的建立，主軸承蓋的三維實體模型如圖1所示。作者簡介：石亦琨，1989出生，山西太原人，在讀碩士，研究方向：動力機械結構強度與動態設計。

圖1 主軸承蓋三維模型

2.2 主軸承蓋有限元模型的建立

本文采用前處理軟件ANSA對主軸承蓋的三維實體模型進行前處理，對其進行材料的設定和邊界條件的施加。本文為了研究自由狀態下主軸承蓋的模態分析，因此，在ANSA中對主軸承蓋的模型進行材料參數的設定和邊界條件的施加，其中，主軸承蓋采用SOLID185四面體單元，單元數為13020個。主軸承蓋的材料選用合金鋼，泊松比0.28，密度7820g/mm3，彈性模量206Gpa。主軸承蓋的有限元模型如圖2所示。

圖2 主軸承蓋的有限元模型

3 主軸承蓋的模態分析

本文采用分塊Lanczos模態法對主軸承蓋進行10階自由模態分析。主軸承蓋的自由模態也就是無約束模態，自由模態下主軸承蓋具有6階剛體模態，所以，模態分析求解的結果中前6階主軸承蓋的固有頻率為0或接近于0，其實第七階才是真正意義上的第一階固有頻率。

表1 10階自由模態的固有頻率和最大變形量

本文采用ANSYS有限元分析軟件對主軸承蓋進行模態分析，并提取了前10階的固有頻率和最大變形量。主軸承蓋前10階的模態振型如圖3所示，主軸承蓋自由模態下前10階的固有頻率和最大變形量由表1給出。從圖表中可以看出，主軸承蓋在自由模態下，主軸承蓋主要受到彎曲和彎扭振動。

圖3 自由模態下主軸承蓋的振型

4 結論

本文采用ANSYS軟件對主軸承蓋進行了自由模態分析，得出以下結論：

（1）主軸承蓋在模態分析過程中發生彎曲和彎扭振動，而且彎扭振動是主要振動。因此，在對主軸承蓋優化設計時，應考慮柴油機工作時主軸承蓋彎曲導致的變形現象。

（2）通過主軸承蓋的模態振動特性分析，可以防止其與相鄰件發生共振，減小內燃機故障概率。而且可知在某共振頻率下，主軸承蓋的結構變形趨勢，進而優化其結構，使其變形減小。

[1]陳超,胡景彥,吳豐凱,洪進.發動機主軸承蓋/壁結構分析[J].內燃機,2013,04：5-8.

[2]方偉.發動機機體—主軸承蓋接觸面微動疲勞研究[D].中北大學,2014.

[3]陳霖,曹曉明.柴油機主軸承蓋應力和應變的3D有限元分析[J].江蘇船舶,1999,03：33-35+45.

[4]曹曉明,王明武,李愛軍.內燃機主軸承蓋強度和剛度的三維有限元分析[J].機械設計與研究,1999,03：42-43.