基于ansys的油底殼濕模態研究

涂建磊　曾東建　譙晗

摘 要：本文基于solidworks建立油底殼仿真模型，再將模型導入ansysworkbench軟件，然后對油底殼網格無關性驗證，然后對其約束干模態分析以及含有機油時濕模態分析，探究機油高度的影響對模態頻率的變化情況。仿真實驗結果表明在含有機油時隨著液體高度的增加油底殼的模態頻率大致呈下降的趨勢。

關鍵詞：油底殼 模態頻率 濕模態

Study on Wet Mode of Oil Pan based on Analysis of the Wet Modal of Oil Pan

Tu Jianlei，Zeng Dongjian，Qiao Han

Abstract：In this paper， the simulation model of oil pan is established based on solid works， and then the model is imported into ansysworkbench software， and then the mesh independence of oil pan is verified， and then the constrained dry mode analysis and wet mode analysis with oil are carried out to explore the change of modal frequency caused by the influence of oil height. The simulation results show that the modal frequency of oil pan decreases with the increase of liquid height when oil is contained.

Key words：oil pan， modal frequency， wet modal

1 引言

油底殼作為發動機上重要的薄壁類零部件，同時也是發動機覆蓋件上噪聲貢獻比較大的噪聲源之一，而油底殼工作時工作時完全暴露在汽車底部，其輻射噪聲也將對整車噪聲有很大的影響，所以有必要對油底殼進行結構優化設計以及噪聲研究[1];而要研究這些必不可少的是對油底殼進行模態分析，而在實際工作中，由于油底殼內含有機油會對油底殼的結構振動和輻射噪聲產生很大的影響油底殼含有機油需要考慮到油底殼與機油的耦合作用，所以有必要對其進行耦合模態分析，探究機油對模態頻率的影響[2]。

2 模態分析理論與流固耦合理論

2.1 模態分析理論

模態分析時研究結構動力學的一種方法，模態指的是機械結構的固有振動特性，而每一個模態具有特定的模態頻率、陣型、阻尼比等。這些模態參數可以通過計算或實驗得到這個過程則稱為模態分析。模態分析法是將振動系統離散成有限多個質點，各個質點通過等效的彈簧和阻尼器相連接，共同組成一個動力學模型[3]。

振動的動力學方程可用如下的公式表示：

（1-1）

——系統質量矩陣 （kg）;

——系統節點位移矩陣 （m）;

——速度矩陣 （m/s）;

——加速度矩陣 （m/s2）;

——阻尼矩陣 （N/（m/s））;

——剛度矩陣 （N/m）;

——外部激勵 （N）。

2.2 流固耦合理論

機油和油底殼的接觸面，結構振動會對流體造成負載，擾動的機油同樣會對油底殼造成附加壓力;在ansysworkbench軟件中運用acoustic modal 模塊是使用聲固耦合算法進行的是模態分析，在分析時把液體看成為一種聲學介質，只考慮了液體體積應變的壓力，沒有考慮流體的粘性力。

假設結構內的流體是一種理想的聲學介質，其波動方程為：

式中c為流體聲速;p為瞬時聲壓。

將式應用Galerkin方法，在等式兩邊同時乘以聲壓的變分，并對流體域V積分得：

式中U是S面上的位移向量：

經過有限元方法處理將式子處理后得到耦合后結構流體的運動方程：

式中Ms為結構質量矩陣、Cs為結構阻尼矩陣、Ks為結構剛度矩陣;Mf為流體質量矩陣、Cf為聲阻尼矩陣、Kf為流體剛度矩陣;R為流體和結構的耦合矩陣;U、p為節點位移向量和聲壓向量;Fx為結構載荷向量。

當不考慮流體的阻尼時，公式簡化為[4]：

3 油底殼仿真模態分析與濕模態

3.1 油底殼模態分析

用solidworks建模時在不影響其動力性能的前提下對油底殼進行了合理的簡化，省略了放油孔等結構;其三維模型如圖1，結構參數如表1。

通過仿真分析軟件ANSYSworkbench軟件對油底殼進行約束模態分析，即將油底殼上的螺栓孔約束進行模態分析，同時為了驗證網格無關性，對油底殼分別進行了網格大小分別為20mm、15mm、10mm、5mm時的自由模態頻率對比，如圖2。

從圖中可以看出隨著模型網格減小，模態頻率也隨之減小，并且趨于穩定，為了滿足計算精度與方便選取10mm網格大小進行仿真分析，得到油底殼的結構模態頻率如表2，1，2階振型如圖3，4;圖中可以發現油底殼的低階振動主要在油底殼的底面處。

3.2 濕模態分析

在ansysworkbench中調用acoustic modal模塊，在材料設置中輸入油底殼的材料參數，添加機油的屬性，密度為889kg/m3，水在機油中的聲速為1487m/s;在mechanical模塊中用填充命令將油底殼進行填充，選擇需要的液體高度，并將機油屬性賦予機油，將油底殼中的機油模型設置為Acoustic Body，生成機油和油底殼的流固耦合面Acoustic FSI Interface，最后通過計算得到含有機油時油底殼的模態頻率及振型;為了知道隨著含油量變化時模態變化趨勢情況，對其機油高度分別為20%、40%、60%、80%、100%時計算分析得到的結果如下圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著機油高度的增加油底殼的模態頻率整體大致呈現下降的趨勢，在低階時偶爾會出現模態頻率回升的現象隨后又降低，這與文獻[5]中所描述的一致，根據文中所說，耦合模態頻率不止與質量剛度有關，也與耦合面的大小，形狀等有關系，當少質量機油時，對其影響只體現在附加質量上，對剛度影響不大，隨著流體增多，其剛度也會隨之提升造成模態頻率回升[5]。

4 結語

通過用solidworks建立實體模型，用ansysworkbench進行模態分析得到油底殼的模態頻率及振型，能用于對油底殼進行后續的優化，并通過ansys聲學仿真模塊計算了油底殼含機油時模態頻率的變化情況，為類似研究提供參考，且計算得到的仿真結果大致符合，在含有機油時油底殼的模態頻率會隨之降低。

參考文獻：

[1]王振超.低輻射噪聲油底殼形貌優化設計[D].中北大學，2017.

[2]張海娟.發動機油底殼振動與噪聲輻射研究[D].合肥工業大學，2006.

[3]吳浩.基于多體動力學DK4-A柴油機曲軸輕量化設計及模態試驗與分析[D].西華大學，2019.

[4]陳煒彬.發射瞬態激勵下假海沖擊響應及傳遞特性研究[D].中國艦船研究院，2017.

[5]劉瑞駿.汽油機燃燒噪聲與耦合結構的NVH性能研究[D].浙江大學，2017.