某柴油机主轴承盖的模态分析

山西中北大学机械与动力工程学院 石亦琨 苏铁熊 苗会 李坤

某柴油机主轴承盖的模态分析

山西中北大学机械与动力工程学院 石亦琨 苏铁熊 苗会 李坤

本文针对主轴承盖在自由状态下采用ANSYS软件对其进行模态分析，结果表明，自由状态下主轴承盖的模态振型以弯曲和弯扭振动为主，通过主轴承盖的模态振动特性分析，可以防止其与相邻件发生共振，减小内燃机故障概率，为主轴承盖的结构优化和技术改进提供了重要参考。

主轴承盖；模态分析；柴油机

1 引言

随着人类社会的不断进步和发展，内燃机作为一种高效率的动力机械，其应用范围越来越广[1-4]。在内燃机的工作过程中，气体力通过曲柄连杆机构作用在主轴承盖上，使得其承受较大的压力，同时往复惯性力和离心力又使其受到一定的弯曲和扭转作用。为保证发动机正常工作，主轴承座必须要有足够的强度和刚度来承受不同工况下的弯曲、扭转和拉压等作用力。

本文以某型柴油机的主轴承盖为研究对象，对其进行模态分析，并对其频率、振型和最大变形量进行了分析，为主轴承盖的设计和优化提供了重要依据。

2 主轴承盖有限元模型建立

2.1 主轴承盖实体模型的建立

针对主轴承盖的结构特点，本文采用Pro/E三维建模软件进行实体模型的建立，主轴承盖的三维实体模型如图1所示。作者简介：石亦琨，1989出生，山西太原人，在读硕士，研究方向：动力机械结构强度与动态设计。

图1 主轴承盖三维模型

2.2 主轴承盖有限元模型的建立

本文采用前处理软件ANSA对主轴承盖的三维实体模型进行前处理，对其进行材料的设定和边界条件的施加。本文为了研究自由状态下主轴承盖的模态分析，因此，在ANSA中对主轴承盖的模型进行材料参数的设定和边界条件的施加，其中，主轴承盖采用SOLID185四面体单元，单元数为13020个。主轴承盖的材料选用合金钢，泊松比0.28，密度7820g/mm3，弹性模量206Gpa。主轴承盖的有限元模型如图2所示。

图2 主轴承盖的有限元模型

3 主轴承盖的模态分析

本文采用分块Lanczos模态法对主轴承盖进行10阶自由模态分析。主轴承盖的自由模态也就是无约束模态，自由模态下主轴承盖具有6阶刚体模态，所以，模态分析求解的结果中前6阶主轴承盖的固有频率为0或接近于0，其实第七阶才是真正意义上的第一阶固有频率。

表1 10阶自由模态的固有频率和最大变形量

本文采用ANSYS有限元分析软件对主轴承盖进行模态分析，并提取了前10阶的固有频率和最大变形量。主轴承盖前10阶的模态振型如图3所示，主轴承盖自由模态下前10阶的固有频率和最大变形量由表1给出。从图表中可以看出，主轴承盖在自由模态下，主轴承盖主要受到弯曲和弯扭振动。

图3 自由模态下主轴承盖的振型

4 结论

本文采用ANSYS软件对主轴承盖进行了自由模态分析，得出以下结论：

（1）主轴承盖在模态分析过程中发生弯曲和弯扭振动，而且弯扭振动是主要振动。因此，在对主轴承盖优化设计时，应考虑柴油机工作时主轴承盖弯曲导致的变形现象。

（2）通过主轴承盖的模态振动特性分析，可以防止其与相邻件发生共振，减小内燃机故障概率。而且可知在某共振频率下，主轴承盖的结构变形趋势，进而优化其结构，使其变形减小。

[1]陈超,胡景彦,吴丰凯,洪进.发动机主轴承盖/壁结构分析[J].内燃机,2013,04：5-8.

[2]方伟.发动机机体—主轴承盖接触面微动疲劳研究[D].中北大学,2014.

[3]陈霖,曹晓明.柴油机主轴承盖应力和应变的3D有限元分析[J].江苏船舶,1999,03：33-35+45.

[4]曹晓明,王明武,李爱军.内燃机主轴承盖强度和刚度的三维有限元分析[J].机械设计与研究,1999,03：42-43.