某型柴油機缸體動態(tài)特性分析

李 浩，蔡少波

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

模態(tài)分析是研究機械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種近代方法，它使系統(tǒng)辨別方法在工程振動和噪聲領域中得到了很大的應用，提供了研究機械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種有效途徑。柴油機缸體的模態(tài)是柴油機缸體的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。柴油機缸體的模態(tài)分析可以評價發(fā)動機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，為發(fā)動機系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)，因此對發(fā)動機缸體的模態(tài)分析有十分重要的意義。

近年來，隨著動態(tài)測試、信號處理和計算機技術(shù)的發(fā)展，試驗建模技術(shù)有了比較大的進步，建立在試驗模態(tài)分析基礎上來分析系統(tǒng)的動態(tài)特性愈發(fā)成為一種趨勢，而將有限元法和試驗模態(tài)分析技術(shù)有機地結(jié)合，可以更加完整并準確得分析系統(tǒng)的動態(tài)特性，先采用有限元方法建立結(jié)構(gòu)有限元模型,利用試驗數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)有限元模型進行驗證,從而為以后的改進和設計提供一定的依據(jù)。本文以4C6-65M22型柴油機缸體為研究對象，對它進行了模態(tài)分析和試驗。

1 缸體試驗模態(tài)分析

試驗模態(tài)分析是基于系統(tǒng)響應和激振力的動態(tài)測試，由系統(tǒng)輸入(激振力)和輸出(響應)數(shù)據(jù),經(jīng)信號處理求得傳遞函數(shù),然后運用參數(shù)識別技術(shù)確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

1.1 試驗系統(tǒng)

振動測試系統(tǒng)一般由以下三部分組成:激振部分、拾振部分和分析顯示記錄部分。圖1為實驗模態(tài)分析系統(tǒng)構(gòu)成圖。

1.2 測試方案和內(nèi)容

在模態(tài)試驗中,試件的支承方式?jīng)Q定著試驗結(jié)構(gòu)的邊界條件,影響結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。本次試驗是要獲得缸體在自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，因此采用自由支承的方式，用彈性繩將缸體懸掛起來，讓它處于“自由”狀態(tài)。

考慮柴油機缸體的結(jié)構(gòu)和阻尼較小，振動能量在結(jié)構(gòu)的傳遞較少，采用錘擊法脈沖激勵方式進行激振，該方法易于在現(xiàn)場實現(xiàn)，且精度高；采用單點激勵、多點響應的方法進行模態(tài)測試。

為了能夠準確全面地反映缸體的整體輪廓同時保證關鍵部位都被選為測量點，最終在缸體外表面布置了131個測點，其中每個點測量了三個方向(X、Y、Z)的振動響應。缸體測點網(wǎng)格化后的模型如圖2所示。

試驗時，用力錘給缸體加激振力,同時測量測點的響應。激振力通過力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,響應信號通過加速傳感器將測點的加速度轉(zhuǎn)換為電信號。這些信號經(jīng)電荷放大器放大輸入到動態(tài)信號采集系統(tǒng)中，采集不同測點處缸體的振動波形，然后對各波形進行頻譜分析，最終在模態(tài)分析軟件中經(jīng)過模態(tài)擬合得到發(fā)動機缸體的各階固有頻率。為保證試驗數(shù)據(jù)的有效性,要求激勵信號和響應信號有較好的相關性。本試驗通過各個激勵點的相干函數(shù)對比后,選擇相干性好的點作為激勵點。試驗中，激勵點與某兩拾振點的相干函數(shù)如圖3所示；缸體兩側(cè)點的頻響圖如圖4所示。

2 發(fā)動機缸體的有限元模態(tài)分析

2.1 缸體實體模型的建立

4C6-65M22型柴油機缸體為四缸直列式柴油機缸體，是一個經(jīng)過鑄造和機加工之后得到的箱體式構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)非常復雜，在缸體上分布著加強筋、凸臺、螺栓孔、軸承孔、冷卻水通道、油道孔等，在建立實體模型時，不必要把所有的細節(jié)表現(xiàn)出來，對計算結(jié)果影響意義不大的地方必須要進行一定程度的簡化。

2.2 缸體有限元模型的建立

在UG中將模型保存成igs格式導入到hypermesh中進行前處理，改正模型在導入時出現(xiàn)的錯誤，消除一些不必要的小細節(jié)，得到比較簡化的部件模型，以便進行后面的網(wǎng)格劃分。

在hypermesh中采用十節(jié)點四面體單元來劃分發(fā)動機缸體，比較簡單靈活也能夠保證精度，可以很好的適用于發(fā)動機缸體的模型。首先在Hypermesh中利用2D菜單的自動網(wǎng)格劃分功能在缸體的表面生成8 mm的三角形表面單元，在全部生成面網(wǎng)格之后，進行質(zhì)量檢查，對不合格的網(wǎng)格單元進行修改，直到所有的面單元網(wǎng)格質(zhì)量合格。在面網(wǎng)格劃分完成后，利用Tool菜單中的edges功能檢查確定是否還存在自由邊，如果出現(xiàn)紅色的自由邊表明不封閉，需要對出現(xiàn)自由邊的網(wǎng)格單元進行修改，確保面網(wǎng)格形成了一個封閉的整體之后，利用3D菜單中的tetramesh功能進行四面體單元的網(wǎng)格劃分，利用已有的面網(wǎng)格，采用向里推進的方式，生成3D體單元網(wǎng)格，對生成的四面體網(wǎng)格進行利用check elements菜單進行3D網(wǎng)格質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量比較高，可以進行模態(tài)分析，生成的四面體單元數(shù)為561 096,節(jié)點數(shù)為1 088 441。

4C6-65M22型柴油機缸體采用的材料為HT250鑄鐵，彈性模量為120 GPa，泊松比為0.26，抗拉強度為250 MPa，密度為7 300 Kg/m3。

圖5為生成的模態(tài)分析有限元模型。

2.3 缸體的模態(tài)分析

在hyperworks軟件optistruct模塊中，利用Block lanczos算法進行柴油機缸體的自由模態(tài)分析，提取1～2 000 Hz內(nèi)的前十階固有頻率，忽略前六階剛體模態(tài)。計算結(jié)果及試驗驗證如表1所示,缸體的前六階模態(tài)振型如圖6所示。

表1 缸體自由模態(tài)計算結(jié)果及試驗驗證

3 分析與結(jié)論

（1）應用有限元分析和模態(tài)實驗，模態(tài)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差在允許的范圍之內(nèi),保證了有限元模型的可信性,以后的改進和設計奠定了一定的基礎。

（2）由缸體的一階扭轉(zhuǎn)振型和一階彎曲振型來看，扭轉(zhuǎn)中心在缸體中心線處，彎曲中心在二缸和三缸的交界平面處，因此缸體裙部的中間部位和第二、三缸交界處尤其是中間的主軸承座處是缸體剛度的薄弱部位，容易疲勞損壞。缸體底座處的四個邊角處的相對振動位移比較大，會引起與其相連部件的振動，對基座的固定應予以重視。

（3）從多階振型可以看出，缸體裙部的剛度比較差，振型主要表現(xiàn)為開合彎曲振動和主軸承座的往復振動，容易對主軸承座造成較大的沖擊，造成主軸承座的斷裂。

（4）從分析結(jié)果來看，可以適當對缸體進行一些改進工作，例如改進缸體的材料，增加中間隔板的厚度，增加缸體裙部加強筋的厚度和高度，以增加缸體的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

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