雙對置二沖程柴油機結構剛度的測試與仿真研究

王旭蘭，任偉，吳波，郝勇剛，李旭東，陳晉兵，高波，趙文韜

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2. 北汽股份汽車研究院，北京 101106；3.穎投信息科技(上海)有限公司，上海 200040)

近年來，我國在雙對置二沖程柴油機技術領域取得了長足發展。雙對置二沖程柴油機在單位體積功率及單位質量功率上具有明顯優勢，是實現輕型裝備高緊湊、輕量化動力的新途徑[1]。但雙對置柴油機扁平狀結構，進氣管、排氣管、氣缸套及曲軸箱的集成化設計和組合結構協調性設計制約著典型結構的剛強度，具有橫向抗彎剛度較弱與連接接觸面多的特點，使柴油機整體剛度固有頻率降低、阻尼增加，振動形態復雜化，還會造成密封失效等可靠性問題[2-3]。

因此，在雙對置二沖程柴油機扁平狀組合結構模態的試驗測試和有限元數值模擬中，通過改變雙對置二沖程柴油機左右箱體與兩側零部件的螺栓預緊力，研究結合面的不同面壓對組合結構頻率與阻尼的影響規律。分析雙對置二沖程柴油機組合結構結合面的處理方法，提出具有較高計算精度的雙對置二沖程柴油機組合結構模態仿真方法。基于雙對置二沖程柴油機曲軸箱、進排氣管的結構參數及材料對結構剛度影響的仿真模擬，探究各種影響因素對組合機構剛度的影響規律。

1 試驗

1.1 試驗測試裝置

由于雙對置柴油機有扁平狀組合結構的特點，試驗采用LMS Test模態測試設備，在機體組合結構上選取的測量自由度數為87個，測取的傳遞函數為348個，通過錘擊法逐點敲擊，進行定點測量。圖1示出試驗所使用的測試設備和待測試件，待測試件包括雙對置柴油機曲軸箱、左右兩側進排氣管、左右氣缸套以及預緊螺栓等。圖2示出測點及網格圖。

圖1 試驗所使用的測試設備和待測試件

圖2 曲軸箱部件模態測試測點及網格圖

1.2 不同螺栓預緊力下結構剛度測試結果分析

采用該試驗測試裝置開展了螺栓預緊力對結構剛度的影響規律研究。測試方案見表1。通過對組合結構部件螺栓預緊力的調整，識別出曲軸箱在不同預緊力下的模態頻率和模態阻尼等參數。圖3示出螺栓預緊力對組合結構模態頻率、阻尼的影響規律。

表1 不同螺栓預緊力下結構剛度測試方案

圖3 螺栓預緊力對組合結構模態頻率、阻尼的影響

圖3的試驗結果表明，預緊力對雙對置二沖程柴油機組合結構剛度的影響比較小。隨著預緊力的增大，各階模態頻率值均呈現略微增大的趨勢，模態頻率的最大相對偏差為2.41%。螺栓預緊力對模態阻尼結果的影響稍大。由測試結果可知，在設計預緊力條件下，可以忽略雙對置二沖程柴油機中存在的多個結合面對組合結構剛度的影響。

2 計算模型

對于具有復雜接觸結合面的組合結構模態仿真，目前主要有以下幾種處理方法：1)等效結合部虛擬材料法，在結合面處人為設定一個具有一定厚度的彈性虛擬材料，通過組合體的模態試驗測試來修正虛擬材料的質量、密度、彈性模量等材料參數，該仿真模型簡便直觀，但人為因素影響較大。2)剛度-阻尼結合面等效法，用一組平行的彈簧-阻尼器單元來模擬裝配體連接的材料和結構動態響應滯后特性，該方法的物理和理論意義清晰，但是在有限元軟件中彈簧和阻尼器的根數和相關參數難以設置。3)薄層單元等效法，采用一個0厚度或非常小厚度的正交各向異性彈性薄層來等效結合面的動態特性，該模型物理意義明確并能很好地和有限元軟件結合，但需要大量的試驗來確定等效薄層的參數，在工程中應用有一定的局限性[4-10]。

上述3種機械結合面等效方法，計算精度相對較高，但是需要輸入的計算參數均需要大量的試驗測試來支撐，因此在一些具有較高接觸面壓，結合面影響并不顯著的案例中，工程上通常會采用一些直接忽略結合面影響的仿真方法，其中最常見為Tie連接方法，即對結合面兩側的有限元節點進行全自由度耦合約束。另一種方法為接觸連接方法，該方法首先對所有接觸對進行非線性接觸分析，得到兩個物體的實際接觸面積，最后對接觸部分的單元節點施加Tie綁定約束進行線性模態分析。

為了進一步驗證Tie綁定仿真處理方法在雙對置柴油機組合結構模態工程應用中的可行性，采用該方法對該柴油機組合結構模態進行了有限元計算分析，有限元模型見圖4。

圖4 柴油機組合結構有限元計算模型

采用Tie綁定方法處理結合面后，雙對置柴油機組合結構第一階至第四階自由模態測試結果和計算結果對比見圖5至圖8，各階模態振型對應的頻率見表2。

對比結果顯示,試驗模態與計算模態的模態振型吻合度較高，采用綁定方法處理結合面后，組合模態的計算精度足夠高。認為采用Tie綁定方法處理結合面的方法可以用來進一步研究雙對置柴油機組合結構的模態特性。

圖5 組合結構模態第一階振型

圖6 組合結構模態第二階振型

圖7 組合結構模態第三階振型

圖8 組合結構模態第四階振型

模態階次試驗模態頻率/Hz計算模態頻率/Hz相對誤差/%第一階359.218348.43-3.149第二階416.898431.473.342第三階536.735527.37-1.745第四階569.678562.33-1.290第五階634.476649.872.426第六階905.184878.11-2.991

3 結構形式與材料對組合結構剛度的影響

3.1 進排氣管結構參數對組合結構剛度的影響

圖9示出進排氣管壁厚由初始6 mm分別改為8 mm，10 mm，12 mm時對模態頻率的影響。計算結果顯示,隨著進排氣管壁厚的增加，組合結構模態頻率有略微增大趨勢。進氣管壁厚的增加對組合結構模態固有頻率的影響較小；排氣管壁厚的增加對組合結構第四階、第六階模態頻率影響相對較大。第四階模態排氣管由初始壁厚改為8 mm，10 mm，12 mm時，模態頻率分別增加1.254%，2.132%，2.497%。第六階模態頻率在壁厚8 mm時增加3.580%，在10 mm時增加5.546%，在12 mm時增加6.102%。在此兩階振型中排氣管局部振動所占的比例較大，通過增加排氣管壁厚可以提高此兩階次組合結構的模態頻率，增加組合結構動態剛度，但貢獻并不大。

圖9 進排氣管壁厚對組合結構模態頻率的影響

3.2 曲軸箱結構參數對組合結構剛度的影響

圖10示出曲軸箱增加筋板位置，圖11和圖12示出曲軸箱筋板與橫側隔板壁厚對組合結構模態頻率的影響。從圖11和圖12可以看出，隨著曲軸箱筋板的增加與橫側隔板厚度的增加，組合結構模態頻率呈現顯著的增大趨勢。特別是筋板的增加對整機組合結構一階模態頻率影響很大，變化率達到25%。因為一階振型為曲軸箱對角扭曲，此方向沒有約束支撐，危害很大，增加筋板可以明顯改善模態頻率，可以在設計時重點加以考慮。四階模態幾乎沒有改變，因為曲軸箱上有加強筋，對第四階振型的振動起到一定的抑制作用，從圖9可知，排氣管在四階模態變化明顯，四階模態振型多為排氣管的局部振動。

圖10 左右箱體增加筋板位置(下表面相同)

圖11 筋板對組合結構模態頻率的影響

圖12 橫側隔板壁厚對組合結構模態頻率的影響

3.3 材料對組合結構剛度的影響

圖13和圖14示出進排氣管與曲軸箱材料對組合結構模態頻率的影響。從圖13可以看出，進排氣管在不改變結構的條件下，材料由鑄鐵改為鑄鋁，組

圖13 進排氣管材料對組合結構模態頻率的影響

圖14 曲軸箱材料對組合結構模態頻率的影響

合結構模態頻率呈現明顯增加趨勢,減輕質量的同時還可增強剛度。圖14示出曲軸箱材料由鑄鐵改為鑄鋁對組合模態固有頻率的影響較小，但使用鋁合金材料可以使組合結構整體質量減輕很多。

4 結論

a) 試驗測試了不同螺栓預緊力對雙對置柴油機結構剛度的影響規律，并驗證了模態計算模型的可信度，為雙對置二沖程柴油機結構剛度設計、螺栓預緊力的確定提供了理論支撐；

b) 進排氣管壁厚的增加對提高雙對置二沖程柴油機結構剛度效果并不十分明顯，曲軸箱筋板的增加與橫側隔板厚度的增加使模態頻率呈現顯著的增大趨勢，進行曲軸箱工程設計時，適當增加筋板與橫側隔板厚度有利于雙對置柴油機組合機構剛度的增加；

c) 進排氣管材料由鑄鐵改為鑄鋁使組合結構固有頻率明顯增加，在滿足可靠性前提下，既可減輕組合結構的質量，還可強化組合結構的動態剛度；曲軸箱材料的改變對組合模態固有頻率的影響較小，為了實現輕量化設計，優先選用鋁合金材料。