柴油机多体动力学建模时曲轴有限元模型的验证与精度研究.pdf

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1、杜善刚高浩鹏黄进明王承禹：柴油机多体动力学建模时曲轴有限元模型的验证与精度研究柴油机多体动力学建模时曲轴有限元模型的验证与精度研究StudyontheVaHdationandAccuracyofCranl【shaftFEMModeIfortheAnalysisofDi俗elMlIlti_bodypynaIIIics杜善刚1高浩鹏2黄进明3王承禹1(1．海军大连地区装备修理监修室2．海军工程大学3．中国卫星海上测控部)[摘要)以某型柴油机曲轴为研究对象，对其进行三维实体建模，并建立其有限元模型。在通过试验对曲轴自由模态分析模型修正的基础

2、上，讨论曲轴约束模态分析时有限元的建模方法：在此基础上，通过曲轴的约束模态试验验证曲轴的约束模态分析模型，得到了柴油机多体动力学分析时精度较高的曲轴约束模态模型的建模方法。文中的建模方法提高了模型的精度和可信度，可应用于其它机械零部件。[关键词]曲轴约束模态有限元模型多体动力学Keywords：CrankshaftConstmintmodalFEMmodelMulti—bodvdvnamics引言曲轴在柴油机结构中处于核心位置，其受载和运动具有多样性。目前，通过多体动力学对柴油机曲轴的结构设计、结构优化、故障诊断以及振动等动力学特性分

3、析趋于成熟【l】。然而在以曲轴为柔性体的刚柔混合建模时．对于曲轴约束模态分析模型的建模方法以及模型的精度讨论较少【2】。本文基于参考文献【31的方法，在对曲轴自由模态分析模型验证的基础上．主要讨论柴油机刚柔混合建模时曲轴柔性体的建模方法以及曲轴模型的精度问题。1曲轴有限元约束模态分析模型的建立柴油机多体动力学建模时，对于结构复杂的曲轴。其柔性体模型的生成主要在有限元软件中实现网。将曲轴作为柔性体的刚柔混合模型的实现，是通过曲轴有限元模型生成的模态中性文件传递数据，将刚性体替换为柔性体来进行。图1曲轴约束模态分析模型忒篱，，。錾溺熊纛a

4、bC一攀j鬻繁森一⋯⋯⋯一⋯一--⋯⋯⋯}一⋯⋯⋯一，-，⋯一一一÷⋯一⋯⋯⋯，，，⋯⋯⋯idef图2不同MPC添加方式计算多体动力学中，有限元建模时需要通过对连接处进行刚化处理，使得载荷能顺利传递。对于曲轴这种承载量大的部件，建模时需对主轴承部位通过多点约束(MPC)来实现刚柔连接，其有限元模型如图1所示。这种约束模态分析模型的建立，大多数文献中都没有详细说明约束点所选取的位置：而2内燃机与配件2013年第2期位置的选取必然对结构矩阵产生影响，进而影响模态计算结果。文中选取6种不同的方案(6种方案分别如图2中a、b、c、d、e、f所

5、示。其中a、b、c选取主轴颈表面节点，d、e、f选取约离表面五分之一主轴颈半径处；a和d选取整个圆周面上的节点，b和e选取靠近主轴颈中面的圆周面上的节点，c和瓞取远离主轴颈中面的圆周面上的节点)讨论约束点位置的选取对模态结果的影响，得到较优的约束点的选取位置，为柴油机刚柔混合多体动力学模型建立奠定基础。曲轴约束模态试验分析模型的有效性和正确性是动力学分析的前提。在曲轴自由模态分析模型验证与修正的基础上，曲轴约束模态分析模型的误差主要在于使用多点约束来模拟主轴承的过程，而该过程具有多样性，故对有限元模型的试验验证是一项必不可少的内容同。

6、试验模态分析过程可操作性强，能较好的得到零部件的固有属性：故通过曲轴的约束模态试验对曲轴约束模态有限元分析模型的验证是一种行之有效的方法。2．1支撑方式根据本文的研究内容，对曲轴约束方式下进行模态测试，其支撑方式如图3所示。约束方式是将曲轴安装在设计加工好的台架上，其主轴承的结构尺寸与实际柴油机主轴承一致。围3曲轴约柬模恋试验支挥方式2．2激励方法考虑到试验件的实际结构以及实验室现有的测试仪器，本文采用单输入单输出锤击激励法对曲轴进行锤击试验以获得其频率响应函数。力锤激励时注意以下几点：激励点和激励方向要与模态测试几何模型相对应；激励

7、力要适当，太大容易引起非线性误差，太小可能使得模态遗漏；激励应选用多次平均以减小误差。2．3测点布置及模态分析模型的建立本文通过N—Modal模态分析软件建立曲轴模型的激振点和响应点，建立的曲轴几何模型如图4所示．共布置了73个测点。考虑到约束模态有些测点难于测量，使用约束方程进行等效。布置测试点时应注意：联结测量点间的网格结构在一定程度上能反映实际试件的结构形状；响应点不应选在模态的节点处，响应点的选择可以参照有限元计算结果。P曰《：瓣《VII广I8I＼Uq“图4曲轴约束梗森翻试几何梗型2．4试验设备、测试系统及数据的采集激励力锤采

8、用的是带有压电式力传感器KD3000系列石英力锤，其电荷灵敏度为3．42pc／N；振动传感器选用KDl002LC型ICP加速度传感器，最大横向灵敏度小于5％；信号放大器选用DH5862程控电荷放大器：测试系统采用的是Av