基于ANSYS的發動機缸體模態分析

倪建華

摘 要：文章以某四缸發動機缸體為研究對象，采用ANSYS軟件進行模態分析。首先在UG軟件中建立發動機缸體的三維實體簡化模型；然后將發動機缸體的模型導入ANSYS軟件中劃分網格；最后采用自由模態方式進行分析，獲得發動機缸體的各階固有頻率和振型，分析發動機工作時外在激勵對缸體的影響，為發動機缸體的優化設計和動力學分析提供理論依據。

關鍵詞：發動機缸體；實體模型；有限元；模態分析；振型

1 概述

發動機缸體是構成發動機的基體，起著保證發動機的動能產生和動力輸出的作用。發動機工作過程中，缸體承受著氣缸內混合氣燃燒所產生的爆發力、活塞連桿往復運動慣性力等周期性的載荷，這些載荷形成周期性激勵。發動機缸體質量較大，振動時對整車的影響也較大。為了防止周期性的激勵引起發動機缸體的共振，需要獲得其固有頻率和振型，從而在設計時避開外在激勵頻率，因此有必要因此有必要分析發動機缸體的模態。

典型的無阻尼模態分析是經典的特征值求解問題[1]：

式中，K-剛度矩陣；？啄i-第i階模態的特征向量；Wi-第i階模態的固有頻率；M-質量矩陣。

發動機缸體為鑄造的箱體類零件，其表面上分布著各種凸臺、加強筋和軸承孔，內部有氣缸套、水套、油道孔和一些縱、橫隔板等，結構很復雜，無法用單一的數學模型進行模態分析。

隨著計算機硬件和軟件技術的發展，采用計算機進行有限元分析已經成為一種切實有效的方法。ANSYS是一種通用工程有限元分析軟件，廣泛應用于汽車、機械、電子、航空航天等各種領域[2]。雖然ANSYS軟件具有強大的有限元分析功能，但其幾何建模功能相對較弱，在ANSYS軟件中對復雜的發動機缸體建模相當困難。因此，本文先在三維建模軟件Unigraphics（以下簡稱UG）中建立發動機缸體的三維實體模型，然后導入ANSYS中進行模態分析。

2 發動機缸體實體模型

本文以某四缸柴油機缸體為研究對象。建立有限元模型時，理論上應詳細表達缸體結構特征以準確分析，但模型過于復雜會導致難以計算，因此有必要對缸體模型進行簡化。簡化的原則是：忽略一些不重要的因素，保留起主導作用的因素。主要考慮以下幾個方面[3]：

（1）忽略一些局部結構。如缸體上的小螺栓孔、凸臺、油道等，對發動機總體影響很小。而這些細小孔洞在劃分網格時單元較小，會使模型單元總數急劇增大，分析時耗費時間也會成倍增加。

（2）簡化一些局部細節。如缸體上的一些鑄造形成的圓角可簡化，但缸體內部的加強筋、凹槽以及結合處的圓角等，對應力的分布影響較大，建模時還是要考慮。

（3）大螺栓孔的處理。忽略孔型結構，必須保留的螺栓孔以圓孔代替，如缸蓋螺栓孔等。

在UG軟件中建立的發動機缸體簡化模型見圖1所示，然后將三維實體模型以Prasolid格式導出。

3 發動機缸體有限元模型

將Prasolid格式的發動機缸體數字模型導入ANSYS軟件中劃分網格。缸體材料為灰鑄鐵HT250，彈性模量E為120GPa，泊松比v為0.3，密度？籽為7.0×103kg/m3。采用ANSYS軟件的智能網格劃分功能對發動機缸體的模型劃分網格。智能網格適合于對復雜的模型直接劃分，可防止對模型各部分分別劃分網格后重新合并時引起的不匹配問題[4]。單元類型采用SOLID185，它是一種三維8節點的體單元，劃分網格后缸體的有限元模型如圖2所示，模型共有396527個單元，263862個節點。

4 模態分析和結果討論

4.1 模態分析

對發動機缸體模態分析時，根據邊界條件不同，分為自由模態分析和約束模態分析。本文采用自由模態分析，實體單元有6個剛體自由度[5]。因此，模態分析求解所得的發動機缸體前6階固有頻率為零，第7階為第一個非零固有頻率[6]。

利用ANSYS 軟件中的Block Lanczoe 法計算發動機缸體的12 階模態，并提取發動機缸體的第7階至第12階的固有頻率和振型。發動機缸體第7～12階固有頻率見表1所示，相應各階模態的振型見圖3至8所示。

4.2 結果討論

第7階固有頻率為673Hz，振型（圖3）為垂直面內（XOZ平面內繞Y軸）的整體二階彎曲振動，也就是沿缸體分布方向的彎曲振動。第8階固有頻率為1404Hz，振型（圖4）為一種復合振動，包括缸體裙部的二階彎曲振動和軸承座的彎曲振動。第9階固有頻率為1886Hz，振型（圖5）為缸體上軸承座部位沿Y方向的往復振動。第10階固有頻率為1896Hz，振型（圖6）為主軸承座引起的局部振動，其振型特點是，第1，3主軸承座振動最大，且振動方向相反。第11階固有頻率為2178Hz，振型（圖7）為垂直面內（YOZ平面內繞X軸）的二階彎曲振動，此時不僅對缸體產生疲勞破壞，還會對安裝在其內部的曲軸產生附加彎曲應力。第12階固有頻率為2298Hz，振型（圖8）由兩種振動構成，包括缸體裙部繞X軸的二階彎曲振動和軸承座處沿Y軸的往復振動，但缸體上部變形很小。

該發動機工作時，最大轉速為3600rpm，對應的四個氣缸燃燒振動的激勵為120Hz；活塞往復運動慣性沖擊振動頻率為240Hz，均遠小于第7階模態分析時的固有頻率為673Hz，因此不會引起發動機缸體的共振。

5 結束語

（1）利用UG軟件建立了發動機缸體簡化模型。

（2）在ANSYS軟件中對發動機缸體進行了模態分析，計算了發動機缸體的前12階固有頻率和模態，并分析了6階非零模態的三維振型圖。

（3）通過對發動機缸體自由模態有限元分析，證明發動機缸體不會與外在激勵共振，為發動機缸體的優化設計和動力學分析提供理論依據。

參考文獻

[1]王忠，王小哲，袁銀南，等.多缸柴油機機體試驗模態研究[J].農業工程學報，2003，19（2）：126-129.

[2]王宇，張俊偉，林永龍.有限元分析軟件Ansys在模態分析中的應用[J].起重運輸機械，2013（11）：83-85.

[3]侯青林，李衛民，張偉.三維實體造型技巧研究[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2005，25（5）：334-337.

[4]胡國良，任繼文，龍銘.ANSYS 13.0有限元分析實用基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5]鹿雪龍，朱信，賀未明.基于ANSYS的某型四缸內燃機曲軸模態分析[J].內燃機與配件，2014（12）：37-39.

[6]李鵬，張保成，李星，等，基于HyperWorks的發動機連桿有限元模態分析[J].唐山學院學報，2011，24（3）：31-32.