基于Rhino的發動機底盤機架有限元模態分析

吳正琴

（漳州職業技術學院 汽車工程學院，福建 漳州 363000）

隨著我國科技水平的不斷提高，機械化水平的快速進步，發動機研制也得到了較快發展［1-2］.發動機作為復雜機械的重要組成部分，由于其工作零件、傳動零件較多，工作過程生成的振動與噪聲也較大［3］，對整個發動機運行穩定性與操作者影響很大［4-5］.與國外相比，國內針對發動機在不同工作模式下振動強度和抑制振動性的研究還不成熟，對于發動機底盤機架振動穩定的研究也較少［6］.但是底盤機架是發動機的安裝基礎，不但需要承受其它裝置機構，在運行過程中還需要承受來自工作環境、振動篩以及風機等裝置帶來的振動，當激振的頻率與發動機底盤機架自有頻率相似時，發動機將會生成共振，對發動機的工作性能、使用周期以及穩定性將產生一定的影響.因此，為了提升發動機的工作性能，優化底盤架構，針對發動機底盤架構的模態化測試與分析至關重要［7］.

使用Rhino軟件對發動機底盤機架的參數優化，利用構建的模型計算出機架的模態參數，通過實驗測試對發動機底盤機架的固有頻率和外部激振頻率進行驗證與分析，制定優化策略，以提高其在運行中的工作性能.

1 底盤機架有限元模型構建

發動機的底盤機架是一種矩形管型材料構成，底盤機架總長度為2 280 mm，寬度為2 080 mm，分為上、中和下三層架構.其中，底盤機架的最下層與履帶相連接整個機體，中間層作為整個底盤主要承載部件，與發動機、清洗裝置以及其它部件相連；上層是駕駛室的底板［8］.

根據發動機底盤機架結構復雜性與模型構建的原則，使用模型參數化不但能夠避免重復，也可以減少模型設計周期.筆者使用Rhino軟件構建發動機底盤機架模型，以實現模型的參數化，并通過該軟件對構建的發動機底盤架構模型進行模態分析［9］.在模型構建過程中，為了減少模態分析過程中的運算量，加快分析速度，通過對模型進行優化處理.在確保模型計算精度的前提下將其模型優化為：（1）不計焊接對發動機振動性能產生的影響；（2）全部的工藝孔均忽略不考慮；（3）將模型中全部的倒角和過渡圓角均簡化成直角；（4）不考慮關鍵區域和尺寸較小的結構.優化后的發動機底盤架構三維模型如圖1所示.

圖1 發動機底盤機架優化后模型

有限元方法主要是使用有限個體的集合來表示原有模型的連續體，所以在進行模態分析前需要把優化的模型結構轉化成有限個單元構成的離散體，各單元間使用節點進行連接，使用Q235型號的結構鋼，彈性模量為210 GPa，密度大小為7 850 kg/m2的材料設計發動機底盤機架［10］.使用Rhino軟件根據底盤機架結構對模態分析單元屬性進行設置，定義單元的尺寸大小為14 mm.

根據發動機實際運行情況對發動機底盤的四階模態進行詳細分析.在自由模式下對發動機的機架進行運算，構建的底盤機架模型在X軸、Y軸和Z軸三個方向移動和轉動，所以發動機底盤機架的四個模態是一種剛體模態，對應的頻率為0，僅僅需要對這4階模態振型和頻率進行計算與分析.按照網格化將構建的發動機機架有限元模型使用Rhino軟件進行動力學分析，使用Lanczos算法對其進行求解，計算出的四階模態化分析相應的頻率與應振云圖如圖2所示.

圖2 四階模態化分析相應的頻率與應振云圖

2 底盤機架模態試驗

2.1 模態試驗系統分析

對發動機的底盤機架模型進行模態分析，利用模態分析實驗來驗證計算準確性，這一步驟對底盤結構分析至關重要.模態分析方法可以求解出底盤機架結構振動的特性，也可以作為校驗有限元模型合理性的判斷標準.在模態分析測試中使用激振器迫使發動機底盤架構生成強迫振動，根據強迫振動測試結果可以計算出模態化分析結果.

筆者模態測試基本原理如圖3所示.測試的系統主要由力錘、數據處理系統以及模態分析數據處理系統組成.數據處理系統主要由加速度傳感器、數據采集設備以及動態信號分析模塊；模態分析系統使用Rhino軟件進行模態化分析，實驗中使用的設備如表1所示.

測試實驗的主要流程為使用力錘敲擊發動機的底盤架構，使得機架生成強迫振動，力錘內力傳感器觸發動態信號分析模塊，并利用安裝在底盤架構上的加速度傳感器獲取底盤機架受到的振動信息，將采集的數據信息存儲在數據采集儀中，然后將全部存儲的各測試點振動信號頻率響應函數發送到模態分析軟件內進行參數識別，即可計算出發動機底盤機架模態測試對應的模態參數.

圖3 模態測試的基本原理框圖

表1 模態測試設備清單

2.2 激振點確定與測點布置

因為利用錘擊方式進行模態分析時，激振點不需要靠近節點或者距離節線太近，以免影響測試系統的可辨識性.實驗設定了2個激振點，其中，1號激振點安裝在發動機底盤的前端橫梁，2號激振點安裝在發動機底盤的后端縱梁，反復通過5次數據采集來驗證計算數據的準確性.本次測試采用自由激振的方式，使用6根彈簧把發動機的底盤機架懸掛以確保處于自由狀態.

激振點測試獲得的數據信息需要信噪比盡可能高，所以，激振點的選址需要按照外力作用點、關鍵響應點、重要部件以及機架結構的交聯等位置，設置的測試點連線需要能顯示出底盤架構的整個形狀.

2.3 試驗結果與分析

通過動態信號分析系統將接收的頻響信號發送到模態分析軟件中進行參數識別，計算出發動機底盤機架四階測試模態對應的模態頻率和振型.然后使用模態判定法則對求解出的模態頻率進行驗證，如圖4所示.從圖中可以看出矢量間存在一定的線性關系，不同階次頻率間的相關度全部為1，表明模態分析出的參數是準確、有效的.

底盤機架有限元模態頻率測試值和運算值的對比如表2所示，從表中對比可以看出模態頻率測試值與模態分析得到的數值比較相近，誤差最大為2.5%，不同階型結果也接近，表明構建的發動機底盤機架的有限元分析模型比較合理.

圖4 模態判定直方圖

表2 測試模態與計算模態結果對比（數據來源：實驗數據測算處理）

3 底盤機架優化設優化

從以上分析可知，將調節發動機底盤機架的自有頻率避開激振頻率區間為目標，在不改變發動機機架整體質量的條件下對構建的有限元模態分析模型進行優化，結合底盤機架動態性能需求與優化設計原則，將機架的整體質量設為約束變量，范圍設為±5%.將底盤機架結構中每個梁的截面積作為優化變量，按照圖5中17個優化變量對模型的影響度，確定11個作為最終的優化變量，如表3所示.

發動機底盤機架優化所確定的有關變量和優化結果如表3所示.從表中可以看出，發動機底盤機架的總體積在增加3.67m3的前提下，四階模態頻率依次增加 6.17 Hz、0.73 Hz、4.54 Hz和 6.11 Hz.其中，第 1 階頻率增大為 21.71 Hz，與發動機的激振頻率15～18.4Hz間隔變大 .第二、三和四階的頻率也分別增加為 36.62 Hz、43.65 Hz和 46.29 Hz，全部避開發動機激振頻率的范圍，在此條件下，發動機在運行時將可以抑制共振情況的產生，優化后的底盤機架有限元模態分析模型能夠顯著提高整機的工作性能.

圖5 優化變量對模型目標的影響度

表3 優化前后不同變量值的比較（數據來源：實驗數據測算處理）

4 結論

利用構建的模型計算出發動機底盤機架對應的模態頻率與振動類型，對底盤機架的模態化測試，以檢驗理論基礎分析的準確性.本文使用Rhino軟件對發動機底盤機架的參數優化，利用構建的模型計算出機架的模態參數，通過實驗測試對發動機底盤機架的固有頻率和外部激振頻率進行驗證與分析，并給出了優化策略，以提高其在運行中的工作性能.