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《四缸内燃机机体结构模态分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、内燃机学报第20卷(2002)第1期Vol.20(2002)No.1TransactionsofCSICE文章编号:100020909(2002)0120075204200017X四缸内燃机机体结构模态分析王义亮,谢友柏(西安交通大学润滑理论及轴承研究所,陕西西安710049)摘要:以某直立四缸柴油机为例,用ProöEngineer软件在建立底部被约束的机体三维实体模型的基础上,对机体结构进行了约束模态的有限元分析,得出了机体结构的前20阶约束模态的固有频率及相应振型,并与机体自由模态分析结果进行了
2、比较。结果显示出了机体各部分结构振动的强弱分布以及抗振薄弱区,揭示了不同频率范围内机体结构振动模态的特点。同时,分析结果表明:约束模态的固有频率及振型都与自由模态有显著的差别,因此考虑约束边界条件的机体模态分析对揭示机体结构的动力学特性是非常有必要的。关键词:四缸内燃机;机体;模态分析中图分类号:TK423.1文献标识码:A引言1机体实体建模从20世纪中期以来,为了达到使内燃机减振、降四缸柴油机机体的三维实体模型如图1所示。在噪、质量轻、高效率等目的,国内外的有关研究人员在不至于对分析结果产生太大影
3、响的前提下,为了适当内燃机动力学分析与研究方面已经做了大量的工作。减少建模工作量、所需的存储空间及计算时间,在此模但以往的研究工作大多局限于单缸内燃机,且机体模型中略去了某些次要的细节(诸如过渡圆角、销孔、凸型往往都被简化为板-梁组合结构,而较少采用实体缘等),同时,曲轴主轴承及轴承盖被简化为整体轴承。模型。事实上,由于多缸内燃机的结构比单缸内燃机复此外,由于受现有计算设备的限制,气缸体水套也暂未杂得多,而且在其工作过程中受到的激振力很多,所以考虑。为了消除刚体自由度而只保留弹性振动模态,机对其动力
4、学行为进行深入、透彻的研究就显得尤为重体底部(曲轴箱下部边缘)被完全固定,与机体实际安要了。装条件接近。而且对比在不同约束条件下的模态分析,此前,作者已对某四缸柴油机的机体做了在无约结果表明如此考虑机体边界条件已足够精确。束情况下的结构模态分析,并取得了较为满意的结[1]果。尽管相对而言,在无约束情况下的自由模态分析较为简单、方便,得到的分析结果在一定程度上也能反映出内燃机机体的结构动力学特性,但由于内燃机在实际工作过程中,机体并非处于完全自由状态,因此由自由模态分析所得到的结果与机体的实际结构动力
5、学特性之间将不可避免地存在着差别。而且在应用模态叠加法进行机体结构动力响应分析时,必须事先得到机体的约束模态。因此,为了更加准确、深入地揭示多缸内燃机机体的结构动力学特性,以便为以后进行机体结构动力响应分析等进一步的研究工作提供更加充分的指导和依据,在此对同一四缸柴油机机体进行了图1机体三维实体模型有约束情况下的结构模态分析。Fig.1ThethreedimensionalsolidmodeloftheblockX收稿日期:2001205215;修订日期:2001207211。基金项目:国家自然科学
6、基金重大资助项目(59990470)。作者简介:王义亮(1969-),男,讲师,现为西安交通大学博士研究生,主要研究方向为机械系统动力学、机械结构动力学及摩擦学研究。·76·内燃机学报第20卷第1期此三维实体模型被划分成2196个四面体实体单体在振动。如图2所示,第1阶模态为机体沿Y方向的元,然后对其在无约束情况下进行了有限元模态分析整体侧向振动;图3所示为第3阶模态,为机体沿X计算。在建模及分析过程中采用了一右手坐标系,其X方向的整体倾斜振动。轴平行于曲轴主轴承中心线,正方向向右;Z轴平行于(2)
7、曲轴箱振动模态。曲轴主轴承与横隔板的轴气缸中心线,正方向向上。向往复振动以及机体曲轴箱裙部的凹凸振动均属于此类,其频率范围为600Hz～850Hz,对应于第5阶到2模态分析第11阶模态。此类模态的振动主要集中在机体的下2.1基本原理部,在机体上部则没有明显的振动存在。在曲轴主轴承由于机体结构极为复杂,所以不可能用解析法求及横隔板的振动与曲轴箱裙部的振动间有着紧密的联得其振动模态而只好借助于有限元方法。其求解的基系,注意到它们之间在结构上的联系后,这一点是很容本原理如下所述。易理解的。第5阶模态振型在
8、XOZ及YOZ平面内的有限元模型的自由振动方程可写为视图分别示于图4a及图4b中。bMx+Kx=0(1)(3)板式振动模态。板式振动模态是指曲轴箱裙式中:M为机体有限元模型的总体质量矩阵,为一正部两侧薄板的翘曲或鼓胀振动。此类模态中有的还伴定矩阵;K为机体有限元模型的总体刚度矩阵,此处由随有主轴承的横向往复振动及轻微扭转振动。固有频于所有刚体自由度全被约束掉,因此为一正定矩阵;x率在850Hz以上的模态即属于这一类,对应于第11为机体振动的位移向量。于是多缸内燃机机体
