模态分析在发动机开发中的应用.pdf

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1、·10·内燃机与配件模态分析在发动机开发中的应用骆富贵；腰山岭；朱卫星（海马汽车有限公司，郑州450016）摘要：模态分析作为有限元分析的一种比较成熟的方法，很好的对发动机零部件系统模态进行预测，为零部件系统设计避开发动机共振频率提供建议。本文结合几个实例，针对试验出现的问题，用模态分析方法找到问题根源是因为固有频率较低，在发动机工作转速范围内出现共振导致零部件失效，并结合实际情况提出优化建议。Abstract:Modalanalysis,asarelativelymaturemethodoffiniteelementanalysis,isagoodpredict

2、oroftheenginecomponentsystemmodalandprovidessuggestionsforavoidingtheengineresonantfrequencyofthecomponentsystemdesign.Inthispaper,withanumberofexamples,fortheproblemsofthetest,themodalanalysismethodisusedtofindtherootcauseoftheproblem,becausetheinherentfrequencyislowandresonanceappea

3、redintheengineoperatingspeedrangeleadtocomponentfailure.Combinedwiththeactualsituation,optimizationrecommendationsareproposed.关键词：模态分析；固有频率；固有振型Keywords:modalanalysis；naturalfrequency；naturalvibrationmode0引言又据ω=2πf可求得系统各阶固有频率和固有振型。随着人们生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性的2有限元模型建立要求越来越高，汽车NVH性能逐渐成为顾客选购汽

4、车关由于模态分析主要考察物体质量与刚度的分布，因此心的主要问题之一。而发动机作为汽车的一个主要激励来在前处理的过程中尽量做到网格均匀划分，可以将模型中源，因此减小发动机的振动对汽车NVH来说十分重要。发小特征如圆角、小孔、小倒角等几何特征忽略，从而提高计动机的振动不但影响汽车的NVH，严重的振动还会造成算速度。分析过程采用Lanczos法进行求解。疲劳破坏，因此研究发动机的振动非常有必要。3模态分析在发动机开发中应用实例模态分析是利用有限元的方法，通过求解系统的固有3.1发动机排气歧管及支架系统模态分析频率、振型以及应变能等，初步了解系统的振动特性，避免某款发动机

5、排气歧管及支架系统模态分析有限元模[1，2]共振现象的发生及产生不必要的噪声甚至零部件断裂型包括：部分缸体、部分缸盖、排气歧管、三元催化器、连接等问题，在发动机开发中广泛应用。法兰、支架、支架连接螺栓等。1模态分析数学模型通过模态分析，排气歧管及支架系统的前三阶固有频通常机械结构可简化成质点、刚体、弹性体及阻尼器率如表1所示，其第一阶振型如图1所示。构成的系统，并将其离散成有限多个相互弹性连接的刚结论：由于发动机工作转速范围为750rpm-6000rpm，体，由此无限多自由度就变为有限多自由度系统。当满足表1排气歧管及支架系统前五阶固有频率定常线性系统要求时，其系

6、统的数学模型可用下列方程表阶次123示：（1）固有频率（Hz）140330552式中，[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；{X}为位移向量；[C]为阻尼矩阵；{F（t）}为载荷列向量；t为时间。因为对零件进行模态分析，要求解的是机体的固有频率和振型参数，固有模态与外载荷无关，结构阻尼对固有频率影响很小，所以研究固有频率与振型时，可以不考虑外载荷与阻尼。此时数学模型可简化为：（2）自由振动时,结构上各点作简谐振动,各节点的位移为：（3）图1排气歧管及支架系统第一阶振型其中，ω为圆频率，{X0}为振幅列向量。对于四缸四冲程发动机来说，二阶激励为发动机主要激由式（2）、

7、式（3）得：由此可求出励，其频率小于200Hz，因此排气歧管及支架系统应大于200Hz，从而避免系统共振，甚至由此带来的结构件振动疲特征值{X}和ω。劳的发生。————————————作者简介：骆富贵，男，硕士学位，主要从事发动机CAE分析及开本系统一阶固有频率为140Hz，因此存在共振及振动发工作。疲劳风险。通过试验验证发现，每隔一段时间就出现排气InternalCombustionEngine&Parts·11·歧管支架断裂，甚至排气歧管也出现裂纹。通过对模态分析应变能分析可以发现，试验中出现开裂的位置和应变能集中区域一致，如图2、图3所示。3.2发动机管夹系

8、统模态分析