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1、2000年第14卷第1期华北工学院测试技术学报Vol.14No.12000(总第31期)JOURNALOFTESTANDMEASUREMENTTECHNOLOGYOFNCIT(SumNo.31)文章编号:100826374(2000)0120053204发动机机体结构振动模态分析X黄晋英,潘宏侠,李霆(华北工学院机械电子工程系,山西太原030051)摘要目的建立某发动机的有限元模型,并进行模态分析,为研究机体的优化和动力匹配作准备工作.方法用Ansys5.4有限元分析软件,对一12缸V型发动机进行自由模态分析,其中采用10节点4面体单元构造出较详细的机体离散模型.结果求解了
2、机体的自由模态参数,与试验模态分析所得到的模态参数相对照.结论表明有限元方法对复杂结构的动力分析是一种有效方法,为进一步研究机体的优化、动力匹配和响应奠定了基础.关键词机体;有限元法;模态分析中图分类号TK423文献标识码:A随着对环境要求的不断提高,发动机的振动和噪声问题越来越引起人们的注意,而机体是发动机的主体结构,在工作时与发动机诸多零部件相连接,承受着极为复杂的载荷,其动态特性对发动机的整体性能影响尤为重要,对机体作模态分析有助于识别机体的动态特性.模态分析技术是现代机械产品结构动态设计、分析的基础,是近几年来迅速发展起来的分析结构系统动态特性的强有力的工具.目前,
3、国内、外对实物进行模态分析多采用[1]试验研究和有限元数值计算相结合的方法,常用实验模态分析的结果修正有限元模型,由此可得到含有结构参数的、精确的有限元模型.本文以Ansys5.4为支撑软件,对某发动机机体进行了有限元模态分析,所得结果与实验值相吻合,证明所建模型正确,为下一步对机体进行优化设计和分析机体与发动机其他零部件的匹配关系奠定了基础.1计算模型的建立111计算软件的选择本课题要研究的主要问题是发动机这样的复杂结构的动态特性以及它与其上零部件的动力匹配特性,因此要求所选计算软件能够处理一些特殊的结合面问题,并且计算功能强大,Ansys与Ideas,SAP等相比,在计
4、算功能上较强,含有一些特殊的单元,而且在同等规模下,计算精度要高于其他软件,因此计算中选择Ansys.112结构的简化本文所分析的机体为一V型发动机,共有12个缸,是一个经铸造、机加得到的复杂X收稿日期:1999211215基金项目:山西省自然科学基金资助项目作者简介:黄晋英(1971-),女,助教,硕士生.从事专业:机械电子.54华北工学院测试技术学报2000年第1期结构,该结构上分布有各种加强筋、凸台、轴承孔、水道、油道孔及各种纵横隔板等.在建立机体有限元模型时,不可能使模型的质量矩阵和刚度完全与实际一致,依据等效原理,须对结构进行简化.简化时,只考虑一些起主导作用的因
5、素来建立机体的简化模型:由于该机体模型是为某模态分析和动力学匹配作准备的,而不需了解机体局部的特性与应力状况,因此对安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、水道、油孔等对整体特性影响较小的局部结构予以忽略;资料表明,对机体这种箱型结构,在其上加横隔板只影响其扭转变形,而对弯曲变形影响较[2]小,但机体的破坏主要是由于弯曲变形引起的,而且,扭转振动在实际工作中很难被激起,因此分析时主要考虑其弯曲变形,对横隔板上的加强筋、凹槽等图1机体模型示意图不规则结构不予考虑;为了与试验值相对照,将主轴承盖作为机体的一部分,忽略螺栓连接.简化以后的机体模型如图1所示.113网络的划分在以往各种发
6、动机的动态分析中,认为机体主要是由板、壳组成的,在受力上基本是承受拉压和弯曲两种状态,因此用有限元中的梁、板壳单元来描述机体的结构,或者用板、[3～5]梁和块体元的组合来描述.用不同的单元来描述同一个机体,必须使不同单元的接触处结构的变形协调,为此,需人工进行调整,要花费较长的时间,而且人工干预太大,这样会引起单元畸变.从有限元理论知,用三维实体元来描述机体结构,更能反映机体的实际状况.采用Ansys5.4中的Solid92单元(10节点4面体单元),由于机体结构相当复杂,为减小由于人工干预太多所带来的建模误差,利用Ansys5.4自带的SMARTSIZE功能,将整个机体一
7、次性自动划分网格,这样网络比其他软件分块划分的网格更合理一些.图2机体有限元网格示意图根据以往的经验,一般计算动力问题的模型规模只有有静力问题的就可以,因此在划分网格时,为减小计算规模,使内部网络疏于表层网格.其网格划分示意图如图2所示,节点总数为42774,单元总数为20762.2模态计算的结果与分析211结构模态分析结构模态是振动系统特性的一种表征.一般来说,模态参数包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等,但其中最重要的是前两项.模态参数将表明在哪几(总第31期)发动机机体结构振动模态分析(黄
