發(fā)動機缸蓋模態(tài)分析方法研究

金建虎，冀永強，賈丙碩

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 發(fā)動機缸蓋有限元模態(tài)分析

1.1 缸蓋有限元模型的建立

1.1.1 三維軟件建模

根據(jù)該汽油機缸蓋的實際形狀與材料，采用三維設(shè)計軟件CATIA建立發(fā)動機缸蓋三維實體模型。建立發(fā)動機缸蓋模型后，在CATIA中選擇一種金屬渲染材料，然后設(shè)置其密度為2770kg/m3。根據(jù)慣性測量，得到該發(fā)動機缸蓋模型的測試質(zhì)量為9.04kg，實際測量的缸蓋該缸蓋的質(zhì)量為8.78kg誤差為3.0%。實際圖中的螺栓在有限元中省略，因此受模型簡化及材料均勻性的影響，質(zhì)量存在一定的誤差。

1.1.2 將模型導(dǎo)入ANSYS

在CATIA建模后，將其保存為stp格式導(dǎo)入。

1.2 缸蓋有限元模型網(wǎng)格劃分

ANSYS提供了3種網(wǎng)格劃分的方法：自由網(wǎng)格劃分、對應(yīng)網(wǎng)格劃分、對應(yīng)網(wǎng)格及自由網(wǎng)格混合劃分。我們采用自動化分網(wǎng)格Automatic選項。

1.3 有限元模態(tài)分析結(jié)果

前處理階段完成建模后，再求解模塊獲得分析結(jié)果。在模態(tài)分析計算之前，需要對模態(tài)最大階數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本課題研究缸蓋前六階模態(tài)較為合理。然后進(jìn)行Solution求解。

2 發(fā)動機缸蓋實驗?zāi)B(tài)分析

2.1 試驗?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)

在第二章通過有限元模態(tài)分析研究了缸蓋的特性，為驗證有限元模型分析結(jié)果的正確性，本章利用比利時 LMS Testlab振動噪聲測試系統(tǒng)采用錘擊法實現(xiàn)缸蓋試驗?zāi)B(tài)分析，試驗方法采用錘擊法。

2.2 實驗過程及重要步驟

2.2.1 支撐方式

研究希望缸蓋的振動是完全自由而不受約束的，這就要求支撐對試件的作用力是一個平衡架構(gòu)重量的常數(shù)[1]。理論與實踐表明：當(dāng)支撐系統(tǒng)的固有頻率小于構(gòu)件的固有頻率的1/5時，此時得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)的固有頻率誤差很小，其影響可以忽略不記。為滿足上述要求，在這次試驗中，因為發(fā)動機缸蓋的剛度較大，體積較小，所以采用彈性繩懸掛的方式。

2.2.2 測點的選擇和傳感器布置

為提高模態(tài)參數(shù)的識別精度，必須合理布置激勵點和響應(yīng)點的位置，最大限度地減少模態(tài)丟失[2]。實驗采用的是美國PCB公司的三向加速度傳感器，靈敏度100mv/g測試范圍50g，頻率范圍1-5kHz。

2.3 缸蓋模態(tài)實驗結(jié)果分析

2.3.1 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

（1）回到 Navigator中將 setion1中的數(shù)據(jù)添加到Basket里。

（2）進(jìn)入Model Data Seletion模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇，點擊switch按鈕，進(jìn)行Reference和Response的轉(zhuǎn)換。

（3）進(jìn)入PolyMAX模塊進(jìn)行模態(tài)定階和擬合工作，先選擇帶寬，然后模態(tài)參數(shù)識別得到穩(wěn)態(tài)圖。

2.3.2 實驗?zāi)B(tài)結(jié)果

利用Polymax方法對實驗采集的頻響函數(shù)計算分析，得出缸蓋的固有頻率和振型。缸蓋一階模態(tài)固有頻率為1483.5Hz，遠(yuǎn)高于發(fā)動機最高激振頻率10倍頻（1000Hz）左右，避免共振發(fā)生。

2.3.3 模態(tài)驗證

LMS PolyMAX方法進(jìn)行模態(tài)提取，并根據(jù)獲得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行各測量點傳遞函數(shù)的擬合，得到了綜合模態(tài)模擬圖，其結(jié)果與實際測量的結(jié)果相比較，測試與擬合的傳遞函數(shù)如圖1所示，二者基本吻合，說明模態(tài)較為完整且具有較高的準(zhǔn)確性，對各階模態(tài)進(jìn)行Mac（modal assurance criterion）分析，如圖2可以得到各階模態(tài)的相關(guān)性基本5%在以下，說明模態(tài)振型的獨立性很好。

圖1 測試與擬合傳遞函數(shù)

圖2 Mac圖

2.4 有限元計算與試驗結(jié)果對比分析

2.4.1 對比結(jié)果分析

發(fā)動機缸蓋有限元模態(tài)結(jié)果和試驗?zāi)B(tài)結(jié)果對比固有頻率，誤差均在8%以內(nèi)，滿足工程實際應(yīng)用精度要求，驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。前五階振型對，有限元計算與試驗振型基本一致，說明有限元模型較好的反應(yīng)了實際缸蓋的振動特性。即前五階為缸蓋整體彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭組合模態(tài)。

3 結(jié)論

文章利用CATIA建立缸蓋實體模型，采用有限元分析軟件ANSYS計算了缸蓋模態(tài)。通過實驗?zāi)B(tài)分析驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。基于實驗測試的頻響函數(shù)提取了缸蓋實際模態(tài)，有限元分析固有頻率誤差在8%以內(nèi)，前六階振型基本一致，驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。