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1、振动与冲击第22卷第4期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.22No.42003X流固耦合有限元法用于油底壳模态计算121张亮袁兆成黄震12(上海交通大学内燃机研究所,上海200030;吉林大学汽车工程学院,长春130025)摘要本文运用流固耦合有限元法,对有润滑油存在的油底壳进行了耦合模态计算,发现润滑油的存在对油底壳的模态频率和振型影响较大。由于流体的存在,使油底壳的模态频率大幅下降,振型也发生了较大变化。本文还通过计算对上述影响进行了数值预报。关键词:油底壳,润滑油,流固耦合有限元法
2、,耦合模态+中图分类号:TK421.60引言u———节点位移向量p———节点压力向量油底壳属薄壁件,其表面辐射噪声约占柴油机总ω———圆频率[1]辐射噪声级的15～22%左右。因此,研究油底壳振动对于降低柴油机噪声具有较大意义。目前,国内外2模态计算比较多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。文本文首先计算了不含润滑油的油底壳结构模态,献[1]、[2]通过模态试验得到了无润滑油存在时的油并与试验数据进行比较,验证了结构模型的正确性;底壳振动参数;文献[3]-[5]利用有限元法得出结构接着对含润滑油的油底壳进行了
3、耦合模态计算,并与的振动参数,并以此为依据进行优化设计。在辐射噪此前的计算结果进行了比较,发现结构的振型和频率声计算方面,文献[6]利用边界元法预测了内燃机部均有较大变化。件的辐射噪声。此前进行的工作大多并未考虑润滑2.1结构模型的计算与验证油的存在对油底壳振动的影响,而内燃机运转时,润图1为计算所采用的有限元模型示意图,共3872滑油必不可少,因此有必要考虑润滑油的存在对油底个单元、1986个节点,结构尺寸为X———0.653m、壳振动的影响。文献[7]考虑了耦合振动的影响,文Y———0.19m、Z———0.3
4、22m。献[8]介绍了一种有限元耦合方法在结构振动计算中的应用。本文以4118Z型柴油机油底壳为例,采用软件Sysnoise,通过运用流固耦合有限元法,计算了有润滑油存在的油底壳振动模态,并与无润滑油存在的油底壳模态作比较,发现油底壳的模态振型和频率均有较大变化。基于以上计算,本文对上述影响进行了数值预报。1流固耦合有限元法概述图1油底壳有限元模型流固耦合有限元法,一般用于流体质量对结构振表1对计算与实验(锤击法)所得的油底壳前4阶动的影响不可忽略的场合,其基本理论如下[9]:模态频率进行了比较,最大误差不超过5
5、.7%,这说明K2t计算所建立的有限元模型具有足够的精度用于工程S-ωMSCuFS2=计算。CKF-ωMFpFA另外,由于试验采用单点锤击法,使得某些油底其中:KS、MS———结构刚度、质量矩阵壳固有频率尚未激发出来,这样就出现了表1中的情C———几何耦合矩阵况,即频率并不是严格按照阶数的顺序进行比较。KF、MF———流体刚度、质量矩阵2.2模态比较FS、FA———结构、声载荷向量X收稿日期:2002-12-20第一作者张亮男,博士研究生,1975年12月生第4期张亮等:流固耦合有限元法用于油底壳模态计算101由
6、于发动机工作时油面高度会有所变化,所以本通过振型比较,可发现除第1阶振型外,其余几文计算了油面高度依次为油底壳总高度1/4、3/8、阶振型发生了较大变化,使振型比较变得相当困难。1/2、5/8、3/4时的油底壳耦合模态。以上计算表明,润滑油的存在使油底壳振动参数表1试验与计算模态频率比较发生了变化,必须进一步预测这种影响。试验(Hz)260375440530(阶数)(1)(2)(3)(4)计算(Hz)274.784359.341454.419519.442(阶数)(1)(3)(4)(8)误差(%)5.74.23.
7、32.0表2含油与不含油的模态频率比较阶数1234不含油(Hz)274.784342.055359.341454.419含油(Hz)172.14337.158346.349353.386变化率(%)37.41.43.622.2表2比较了油面高度为油底壳总高度1/4的耦合图3耦合模态频率变化模态频率和不含润滑油的模态频率。从中可发现由2.3数值预报于润滑油的存在,使得结构振动的频率发生了较大变本文计算了油面高度依次为油底壳总高度1/4、化,最大幅度达到37.4%。3/8、1/2、5/8、3/4时的油底壳耦合模态,图
8、3表示了前6阶耦合模态频率的变化。4118Z型柴油机额定转速为2400rpm,对不平衡的第二阶惯性力没有采取平衡措施,而且此时二阶往复惯性力频率为80Hz,该柴油机的发火频率也是80Hz,因此可以认为80Hz是振动的主要激励频率。计算表明,当油面高度为油底壳高度的3/8、1/2等常用高度时,耦合模态频率在160Hz左右,正好是主要激励频率的一倍,因此该油底壳非常有可能产生
