某型柴油机缸体动态特性分析

2013-09-10蔡少波

汽车科技 2013年5期

李浩，蔡少波

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

模态分析是研究机械结构动态特性的一种近代方法，它使系统辨别方法在工程振动和噪声领域中得到了很大的应用，提供了研究机械结构动态特性的一种有效途径。柴油机缸体的模态是柴油机缸体的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。柴油机缸体的模态分析可以评价发动机结构系统的动态特性，为发动机系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据，因此对发动机缸体的模态分析有十分重要的意义。

近年来，随着动态测试、信号处理和计算机技术的发展，试验建模技术有了比较大的进步，建立在试验模态分析基础上来分析系统的动态特性愈发成为一种趋势，而将有限元法和试验模态分析技术有机地结合，可以更加完整并准确得分析系统的动态特性，先采用有限元方法建立结构有限元模型,利用试验数据对结构有限元模型进行验证,从而为以后的改进和设计提供一定的依据。本文以4C6-65M22型柴油机缸体为研究对象，对它进行了模态分析和试验。

1 缸体试验模态分析

试验模态分析是基于系统响应和激振力的动态测试，由系统输入(激振力)和输出(响应)数据,经信号处理求得传递函数,然后运用参数识别技术确定系统的模态参数。

1.1 试验系统

振动测试系统一般由以下三部分组成:激振部分、拾振部分和分析显示记录部分。图1为实验模态分析系统构成图。

1.2 测试方案和内容

在模态试验中,试件的支承方式决定着试验结构的边界条件,影响结构的动态特性。本次试验是要获得缸体在自由状态下的模态参数，因此采用自由支承的方式，用弹性绳将缸体悬挂起来，让它处于“自由”状态。

考虑柴油机缸体的结构和阻尼较小，振动能量在结构的传递较少，采用锤击法脉冲激励方式进行激振，该方法易于在现场实现，且精度高；采用单点激励、多点响应的方法进行模态测试。

为了能够准确全面地反映缸体的整体轮廓同时保证关键部位都被选为测量点，最终在缸体外表面布置了131个测点，其中每个点测量了三个方向(X、Y、Z)的振动响应。缸体测点网格化后的模型如图2所示。

试验时，用力锤给缸体加激振力,同时测量测点的响应。激振力通过力传感器转换为电信号,响应信号通过加速传感器将测点的加速度转换为电信号。这些信号经电荷放大器放大输入到动态信号采集系统中，采集不同测点处缸体的振动波形，然后对各波形进行频谱分析，最终在模态分析软件中经过模态拟合得到发动机缸体的各阶固有频率。为保证试验数据的有效性,要求激励信号和响应信号有较好的相关性。本试验通过各个激励点的相干函数对比后,选择相干性好的点作为激励点。试验中，激励点与某两拾振点的相干函数如图3所示；缸体两侧点的频响图如图4所示。

2 发动机缸体的有限元模态分析

2.1 缸体实体模型的建立

4C6-65M22型柴油机缸体为四缸直列式柴油机缸体，是一个经过铸造和机加工之后得到的箱体式构件，其结构非常复杂，在缸体上分布着加强筋、凸台、螺栓孔、轴承孔、冷却水通道、油道孔等，在建立实体模型时，不必要把所有的细节表现出来，对计算结果影响意义不大的地方必须要进行一定程度的简化。

2.2 缸体有限元模型的建立

在UG中将模型保存成igs格式导入到hypermesh中进行前处理，改正模型在导入时出现的错误，消除一些不必要的小细节，得到比较简化的部件模型，以便进行后面的网格划分。

在hypermesh中采用十节点四面体单元来划分发动机缸体，比较简单灵活也能够保证精度，可以很好的适用于发动机缸体的模型。首先在Hypermesh中利用2D菜单的自动网格划分功能在缸体的表面生成8 mm的三角形表面单元，在全部生成面网格之后，进行质量检查，对不合格的网格单元进行修改，直到所有的面单元网格质量合格。在面网格划分完成后，利用Tool菜单中的edges功能检查确定是否还存在自由边，如果出现红色的自由边表明不封闭，需要对出现自由边的网格单元进行修改，确保面网格形成了一个封闭的整体之后，利用3D菜单中的tetramesh功能进行四面体单元的网格划分，利用已有的面网格，采用向里推进的方式，生成3D体单元网格，对生成的四面体网格进行利用check elements菜单进行3D网格质量检查，发现网格质量比较高，可以进行模态分析，生成的四面体单元数为561 096,节点数为1 088 441。

4C6-65M22型柴油机缸体采用的材料为HT250铸铁，弹性模量为120 GPa，泊松比为0.26，抗拉强度为250 MPa，密度为7 300 Kg/m3。

图5为生成的模态分析有限元模型。