某船用高压油泵壳体的动态特性分析

李玉光，魏镇，朱宇龙，郑石兵，张鹏



某船用高压油泵壳体的动态特性分析

李玉光1，魏镇1，朱宇龙1，郑石兵2，张鹏2

（1.大连大学机械工程学院，辽宁 大连 116622； 2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，重庆 402160）

船用高压油泵作为发动机的一部分，目前对其动态特性研究较少。采用有限元求解的方法对船用高压油泵壳体的动态特性进行研究。利用Pro/E软件建立了高压油泵壳体三维模型，利用ABAQUS软件建立其有限元模型，并在ABAQUS中求解了高压油泵壳体的前三十阶模态振型及其表面振动响应，并得到了高压油泵壳体的当量振动烈度，为后续辐射噪声计算及结构改进提供了参考依据。

高压油泵；壳体；模态分析；振动响应

船用高压油泵作为发动机组的重要组成部分，其动态响应与发动机本体相比较小，往往在研究过程中容易被忽略，但随着船用发动机功率的不断提高，高压油泵的喷油压力也随之增大，所以其本身的动态特性对整个发动机组性能的影响权重也越来越大，并且会影响到喷油系统的喷油质量、喷油效率及高压油泵本身的寿命，进而影响船舶的正常的航行。因此，对高压油泵壳体的动态特性研究十分重要。

高压油泵壳体的动态特性主要包含模态分析和壳体的振动响应。研究时，需先求解其固有频率及相对应的振型，然后求解壳体表面各节点振动速度，得到高压油泵壳体的当量振动烈度，结合壳体振动响应和模态特性，可以得到高压油泵壳体主要振动部位，为高压油泵整体动态特性的优化设计寻找参考依据。

1 有限元模型建立

船用高压油泵壳体上安装有很多部件，所以壳体表面复杂，在建立有限元模型之前应合理简化表面结构，这样既能生成高质量的有限元模型，又能保证计算结果的准确性。

根据船用高压油泵实际装配情况，在Pro/E中建立壳体模型，并对壳体中的油道、水道及大部分凸台进行简化，然后导入ABAQUS进行有限元网格划分[1]。法兰盘和轴承盖采用HEXA 8单元，其余各处采用TETRA 10单元，整个模型共有150878个单元、237550个节点。船用高压油泵壳体有限元模型如图1所示。

2 模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，每一个阶模态具有特定的固有频率振型[2]。在实际工程中，结构的固有频率与相应的模态结构形状是设计承受变化载荷条件结构的重要参数，所以模态分析在工程中应用广泛[3]。在高压油泵壳体法兰盘处施加固定约束进行模态分析，提取高压油泵壳体的前八阶振型和固有频率值，如表1、图2所示。由模态分析结果可知，高压油泵壳体的前八阶模态振型主要表现为弯曲和扭转变形。在中、低频时最大变形位于缸盖，高频时最大变形则位于缸体和高压油泵壳体底部。高压油泵中间缸体的弯曲变形比较大，壳体底部的弯曲和扭转变形都比较大，主要是因为这两个部位都是空腔，属于薄壁结构，所以结构刚度小，变形较大。

图1 高压油泵壳体有限元模型

图2 高压油泵壳体前八阶模态振型

3 振动响应分析

高压油泵激励源经过内部路径传递至外表面而引起表面振动，不同激励传递到相同部位节点引起的振动会有所不同[4]。工程实际中对机械设备振动评价的方法有很多，一般使用位移评价低频振动、速度评价中频振动、加速度评价高频振动。位移测量主要用来研究结构的强度和刚度问题，加速度测量用来研究冲击和疲劳问题，而速度则包含位移和频率两个参数的乘积，可以等同地反映低频、中频和高频的谐波成分，其平方正比于振动能量，同时人的主观判断常接近于振动速度，所以一般采用振动速度（振动烈度）作为评价机械结构振动情况的度量参数[5-6]。

表1 高压油泵壳体的前8阶固有频率值

在ABAQUS中将试验测试得到的载荷数据施加到高压油泵缸盖、缸体内壁及曲轴轴承处，在法兰盘处施加固定位移约束，设定时间步长为0.000032 s，分析过程分为720个子步，提交完成高压油泵壳体在时域内的振动响应，然后把结果导入Virtual. Lab Acoustics中进行傅里叶变换，进而把时域振动响应转化为频域振动响应。由图3所示表面振动速度分布可以看出，高压油泵在600 Hz时壳体的右侧振动速度比左侧振动速度大，这是因为左侧法兰盘初处施加了固定约束，限制了法兰盘端面的6个自由度，所以左侧壳体振动速度均较小。

国际标准ISO 2372中规定，转速在600～12000 r/min的机械设备需要采用当量振动烈度对机械设备进行分级。根据GB/T 7148－2008，机械设备当量振动烈度是设备上多个测点三个方向振动速度均方根值的平均值的向量和[7-8]，计算公式为：

式中：Vrms为当量振动烈度；vx、vy、vz分别为x、y、z三个方向上测点振动速度的有效值；Nx、Ny、Nz分别为x、y、z三个方向上的测点数。

在高压油泵表面选取6个点作为测点，测点的分布如图4所示。

图4 高压油泵表面6个测点位置分布

提取这6个测点的频域振动信号，如图5所示，图中：带点直线表示测点在方向的振动，虚线表示测点在方向的振动，间隔线表示测点在方向的振动。由图可知：（a）第一个测点位于缸盖上方，在低频段时和方向的振动都比较大，在中、高频段时主要是方向上的振动且集中在5000 Hz，最大值为0.1 m/s；（b）第二个测点位于高压油泵缸体的上半部分，振动主要为和方向，高频段振动剧烈，最大值为0.005 m/s，沿方向；（c）第三个测点位于高压油泵缸体处的加强板上，振动主要沿方向，在5000 Hz时达到最大值为0.0021 m/s；（d）第四个测点位于高压油泵下部加强筋板处，振动主要沿方向，在2500～3500 Hz振动速度较大，最大值为0.0021 m/s；（e）第五个测点位于高压油泵右侧端盖上，在低频段时振动主要沿方向，在600 Hz时达到最大值0.012 m/s，在高频段时沿方向的振动增大；（f）第六个测点位于高压油泵壳体底部，振动主要为沿方向和方向，高频段振动剧烈，在5000 Hz时沿方向的振动速度达到最大值0.006 m/s。综合可得，高压油泵壳体的当量振动烈度为0.028 m/s。

图5 六个测点振动速度

4 结论

计算出了高压油泵壳体的前八阶模态振型和固有频率值，低阶模态振型主要为壳体上盖的弯曲变形，高阶模态振型则以缸体和底部空腔区域的弯曲和扭转变形为主。通过振动响应分析，可知高压油泵壳体振动主要位于壳体上盖和底部空腔区域，中间缸体部分振动主要集中在高频区域，振动速度幅值相对比较小，并得到了高压油泵壳体的当量振动烈度为0.028 m/s，可知此船用高压油泵振动较大。

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Dynamic Characteristics Analysis of a High Pressure Oil Pump Shell

LI Yuguang1，WEI Zhen1，ZHU Yulong1，ZHENG Shibin2，ZHANG Peng2

( 1.College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China; 2.National Engineering Laboratory for Ship and Marine Engineering Power Systems, Chongqing 402160, China)

Marine high pressure oil pump as a part of the engine, the dynamic characteristics of the research method in this paper by using the finite element solution was used to study the dynamic characteristics of high pressure oil pump shell on the ship. A high pressure oil pump shell three-dimensional model using Pro/E software, establish the finite element model by Abaqus software, and in Abaqus solution high pressure pump casing thirty mode and the surface vibration response, and obtained the equivalent vibration intensity of the high-pressure oil pump shell, as a reference for the subsequent radiation noise and improvement of structure.

high pressure oil pump；shell；modal analysis；vibratory response

U664.124

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.014

1006－0316 (2018) 03－0053－04

2017－10－25

李玉光（1963－），男，辽宁大连人，博士，教授，主要研究方向为机械设计。