基于ANSYS的发动机缸体模态分析

倪建华

摘 要：文章以某四缸发动机缸体为研究对象，采用ANSYS软件进行模态分析。首先在UG软件中建立发动机缸体的三维实体简化模型；然后将发动机缸体的模型导入ANSYS软件中划分网格；最后采用自由模态方式进行分析，获得发动机缸体的各阶固有频率和振型，分析发动机工作时外在激励对缸体的影响，为发动机缸体的优化设计和动力学分析提供理论依据。

关键词：发动机缸体；实体模型；有限元；模态分析；振型

1 概述

发动机缸体是构成发动机的基体，起着保证发动机的动能产生和动力输出的作用。发动机工作过程中，缸体承受着气缸内混合气燃烧所产生的爆发力、活塞连杆往复运动惯性力等周期性的载荷，这些载荷形成周期性激励。发动机缸体质量较大，振动时对整车的影响也较大。为了防止周期性的激励引起发动机缸体的共振，需要获得其固有频率和振型，从而在设计时避开外在激励频率，因此有必要因此有必要分析发动机缸体的模态。

典型的无阻尼模态分析是经典的特征值求解问题[1]：

式中，K-刚度矩阵；？啄i-第i阶模态的特征向量；Wi-第i阶模态的固有频率；M-质量矩阵。

发动机缸体为铸造的箱体类零件，其表面上分布着各种凸台、加强筋和轴承孔，内部有气缸套、水套、油道孔和一些纵、横隔板等，结构很复杂，无法用单一的数学模型进行模态分析。

随着计算机硬件和软件技术的发展，采用计算机进行有限元分析已经成为一种切实有效的方法。ANSYS是一种通用工程有限元分析软件，广泛应用于汽车、机械、电子、航空航天等各种领域[2]。虽然ANSYS软件具有强大的有限元分析功能，但其几何建模功能相对较弱，在ANSYS软件中对复杂的发动机缸体建模相当困难。因此，本文先在三维建模软件Unigraphics（以下简称UG）中建立发动机缸体的三维实体模型，然后导入ANSYS中进行模态分析。

2 发动机缸体实体模型

本文以某四缸柴油机缸体为研究对象。建立有限元模型时，理论上应详细表达缸体结构特征以准确分析，但模型过于复杂会导致难以计算，因此有必要对缸体模型进行简化。简化的原则是：忽略一些不重要的因素，保留起主导作用的因素。主要考虑以下几个方面[3]：

（1）忽略一些局部结构。如缸体上的小螺栓孔、凸台、油道等，对发动机总体影响很小。而这些细小孔洞在划分网格时单元较小，会使模型单元总数急剧增大，分析时耗费时间也会成倍增加。

（2）简化一些局部细节。如缸体上的一些铸造形成的圆角可简化，但缸体内部的加强筋、凹槽以及结合处的圆角等，对应力的分布影响较大，建模时还是要考虑。

（3）大螺栓孔的处理。忽略孔型结构，必须保留的螺栓孔以圆孔代替，如缸盖螺栓孔等。

在UG软件中建立的发动机缸体简化模型见图1所示，然后将三维实体模型以Prasolid格式导出。

3 发动机缸体有限元模型

将Prasolid格式的发动机缸体数字模型导入ANSYS软件中划分网格。缸体材料为灰铸铁HT250，弹性模量E为120GPa，泊松比v为0.3，密度？籽为7.0×103kg/m3。采用ANSYS软件的智能网格划分功能对发动机缸体的模型划分网格。智能网格适合于对复杂的模型直接划分，可防止对模型各部分分别划分网格后重新合并时引起的不匹配问题[4]。单元类型采用SOLID185，它是一种三维8节点的体单元，划分网格后缸体的有限元模型如图2所示，模型共有396527个单元，263862个节点。

4 模态分析和结果讨论

4.1 模态分析

对发动机缸体模态分析时，根据边界条件不同，分为自由模态分析和约束模态分析。本文采用自由模态分析，实体单元有6个刚体自由度[5]。因此，模态分析求解所得的发动机缸体前6阶固有频率为零，第7阶为第一个非零固有频率[6]。

利用ANSYS 软件中的Block Lanczoe 法计算发动机缸体的12 阶模态，并提取发动机缸体的第7阶至第12阶的固有频率和振型。发动机缸体第7～12阶固有频率见表1所示，相应各阶模态的振型见图3至8所示。

4.2 结果讨论

第7阶固有频率为673Hz，振型（图3）为垂直面内（XOZ平面内绕Y轴）的整体二阶弯曲振动，也就是沿缸体分布方向的弯曲振动。第8阶固有频率为1404Hz，振型（图4）为一种复合振动，包括缸体裙部的二阶弯曲振動和轴承座的弯曲振动。第9阶固有频率为1886Hz，振型（图5）为缸体上轴承座部位沿Y方向的往复振动。第10阶固有频率为1896Hz，振型（图6）为主轴承座引起的局部振动，其振型特点是，第1，3主轴承座振动最大，且振动方向相反。第11阶固有频率为2178Hz，振型（图7）为垂直面内（YOZ平面内绕X轴）的二阶弯曲振动，此时不仅对缸体产生疲劳破坏，还会对安装在其内部的曲轴产生附加弯曲应力。第12阶固有频率为2298Hz，振型（图8）由两种振动构成，包括缸体裙部绕X轴的二阶弯曲振动和轴承座处沿Y轴的往复振动，但缸体上部变形很小。

该发动机工作时，最大转速为3600rpm，对应的四个气缸燃烧振动的激励为120Hz；活塞往复运动惯性冲击振动频率为240Hz，均远小于第7阶模态分析时的固有频率为673Hz，因此不会引起发动机缸体的共振。

5 结束语

（1）利用UG软件建立了发动机缸体简化模型。

（2）在ANSYS软件中对发动机缸体进行了模态分析，计算了发动机缸体的前12阶固有频率和模态，并分析了6阶非零模态的三维振型图。

（3）通过对发动机缸体自由模态有限元分析，证明发动机缸体不会与外在激励共振，为发动机缸体的优化设计和动力学分析提供理论依据。

参考文献

[1]王忠，王小哲，袁银南，等.多缸柴油机机体试验模态研究[J].农业工程学报，2003，19（2）：126-129.

[2]王宇，张俊伟，林永龙.有限元分析软件Ansys在模态分析中的应用[J].起重运输机械，2013（11）：83-85.

[3]侯青林，李卫民，张伟.三维实体造型技巧研究[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2005，25（5）：334-337.

[4]胡国良，任继文，龙铭.ANSYS 13.0有限元分析实用基础教程[M].北京：国防工业出版社，2012.

[5]鹿雪龙，朱信，贺未明.基于ANSYS的某型四缸内燃机曲轴模态分析[J].内燃机与配件，2014（12）：37-39.

[6]李鹏，张保成，李星，等，基于HyperWorks的发动机连杆有限元模态分析[J].唐山学院学报，2011，24（3）：31-32.