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      基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模態(tài)分析

      2017-03-27 18:40:03倪建華
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年4期
      關(guān)鍵詞:模態(tài)分析實(shí)體模型振型

      倪建華

      摘 要:文章以某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為研究對(duì)象,采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析。首先在UG軟件中建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的三維實(shí)體簡化模型;然后將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中劃分網(wǎng)格;最后采用自由模態(tài)方式進(jìn)行分析,獲得發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的各階固有頻率和振型,分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)外在激勵(lì)對(duì)缸體的影響,為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析提供理論依據(jù)。

      關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)缸體;實(shí)體模型;有限元;模態(tài)分析;振型

      1 概述

      發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的基體,起著保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能產(chǎn)生和動(dòng)力輸出的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,缸體承受著氣缸內(nèi)混合氣燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)力、活塞連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力等周期性的載荷,這些載荷形成周期性激勵(lì)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體質(zhì)量較大,振動(dòng)時(shí)對(duì)整車的影響也較大。為了防止周期性的激勵(lì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的共振,需要獲得其固有頻率和振型,從而在設(shè)計(jì)時(shí)避開外在激勵(lì)頻率,因此有必要因此有必要分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模態(tài)。

      典型的無阻尼模態(tài)分析是經(jīng)典的特征值求解問題[1]:

      式中,K-剛度矩陣;?啄i-第i階模態(tài)的特征向量;Wi-第i階模態(tài)的固有頻率;M-質(zhì)量矩陣。

      發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為鑄造的箱體類零件,其表面上分布著各種凸臺(tái)、加強(qiáng)筋和軸承孔,內(nèi)部有氣缸套、水套、油道孔和一些縱、橫隔板等,結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,無法用單一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析。

      隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展,采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析已經(jīng)成為一種切實(shí)有效的方法。ANSYS是一種通用工程有限元分析軟件,廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電子、航空航天等各種領(lǐng)域[2]。雖然ANSYS軟件具有強(qiáng)大的有限元分析功能,但其幾何建模功能相對(duì)較弱,在ANSYS軟件中對(duì)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體建模相當(dāng)困難。因此,本文先在三維建模軟件Unigraphics(以下簡稱UG)中建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的三維實(shí)體模型,然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析。

      2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體實(shí)體模型

      本文以某四缸柴油機(jī)缸體為研究對(duì)象。建立有限元模型時(shí),理論上應(yīng)詳細(xì)表達(dá)缸體結(jié)構(gòu)特征以準(zhǔn)確分析,但模型過于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致難以計(jì)算,因此有必要對(duì)缸體模型進(jìn)行簡化。簡化的原則是:忽略一些不重要的因素,保留起主導(dǎo)作用的因素。主要考慮以下幾個(gè)方面[3]:

      (1)忽略一些局部結(jié)構(gòu)。如缸體上的小螺栓孔、凸臺(tái)、油道等,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體影響很小。而這些細(xì)小孔洞在劃分網(wǎng)格時(shí)單元較小,會(huì)使模型單元總數(shù)急劇增大,分析時(shí)耗費(fèi)時(shí)間也會(huì)成倍增加。

      (2)簡化一些局部細(xì)節(jié)。如缸體上的一些鑄造形成的圓角可簡化,但缸體內(nèi)部的加強(qiáng)筋、凹槽以及結(jié)合處的圓角等,對(duì)應(yīng)力的分布影響較大,建模時(shí)還是要考慮。

      (3)大螺栓孔的處理。忽略孔型結(jié)構(gòu),必須保留的螺栓孔以圓孔代替,如缸蓋螺栓孔等。

      在UG軟件中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體簡化模型見圖1所示,然后將三維實(shí)體模型以Prasolid格式導(dǎo)出。

      3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體有限元模型

      將Prasolid格式的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體數(shù)字模型導(dǎo)入ANSYS軟件中劃分網(wǎng)格。缸體材料為灰鑄鐵HT250,彈性模量E為120GPa,泊松比v為0.3,密度?籽為7.0×103kg/m3。采用ANSYS軟件的智能網(wǎng)格劃分功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模型劃分網(wǎng)格。智能網(wǎng)格適合于對(duì)復(fù)雜的模型直接劃分,可防止對(duì)模型各部分分別劃分網(wǎng)格后重新合并時(shí)引起的不匹配問題[4]。單元類型采用SOLID185,它是一種三維8節(jié)點(diǎn)的體單元,劃分網(wǎng)格后缸體的有限元模型如圖2所示,模型共有396527個(gè)單元,263862個(gè)節(jié)點(diǎn)。

      4 模態(tài)分析和結(jié)果討論

      4.1 模態(tài)分析

      對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模態(tài)分析時(shí),根據(jù)邊界條件不同,分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。本文采用自由模態(tài)分析,實(shí)體單元有6個(gè)剛體自由度[5]。因此,模態(tài)分析求解所得的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體前6階固有頻率為零,第7階為第一個(gè)非零固有頻率[6]。

      利用ANSYS 軟件中的Block Lanczoe 法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的12 階模態(tài),并提取發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第7階至第12階的固有頻率和振型。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體第7~12階固有頻率見表1所示,相應(yīng)各階模態(tài)的振型見圖3至8所示。

      4.2 結(jié)果討論

      第7階固有頻率為673Hz,振型(圖3)為垂直面內(nèi)(XOZ平面內(nèi)繞Y軸)的整體二階彎曲振動(dòng),也就是沿缸體分布方向的彎曲振動(dòng)。第8階固有頻率為1404Hz,振型(圖4)為一種復(fù)合振動(dòng),包括缸體裙部的二階彎曲振動(dòng)和軸承座的彎曲振動(dòng)。第9階固有頻率為1886Hz,振型(圖5)為缸體上軸承座部位沿Y方向的往復(fù)振動(dòng)。第10階固有頻率為1896Hz,振型(圖6)為主軸承座引起的局部振動(dòng),其振型特點(diǎn)是,第1,3主軸承座振動(dòng)最大,且振動(dòng)方向相反。第11階固有頻率為2178Hz,振型(圖7)為垂直面內(nèi)(YOZ平面內(nèi)繞X軸)的二階彎曲振動(dòng),此時(shí)不僅對(duì)缸體產(chǎn)生疲勞破壞,還會(huì)對(duì)安裝在其內(nèi)部的曲軸產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。第12階固有頻率為2298Hz,振型(圖8)由兩種振動(dòng)構(gòu)成,包括缸體裙部繞X軸的二階彎曲振動(dòng)和軸承座處沿Y軸的往復(fù)振動(dòng),但缸體上部變形很小。

      該發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),最大轉(zhuǎn)速為3600rpm,對(duì)應(yīng)的四個(gè)氣缸燃燒振動(dòng)的激勵(lì)為120Hz;活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性沖擊振動(dòng)頻率為240Hz,均遠(yuǎn)小于第7階模態(tài)分析時(shí)的固有頻率為673Hz,因此不會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的共振。

      5 結(jié)束語

      (1)利用UG軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體簡化模型。

      (2)在ANSYS軟件中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行了模態(tài)分析,計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的前12階固有頻率和模態(tài),并分析了6階非零模態(tài)的三維振型圖。

      (3)通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體自由模態(tài)有限元分析,證明發(fā)動(dòng)機(jī)缸體不會(huì)與外在激勵(lì)共振,為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析提供理論依據(jù)。

      參考文獻(xiàn)

      [1]王忠,王小哲,袁銀南,等.多缸柴油機(jī)機(jī)體試驗(yàn)?zāi)B(tài)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(2):126-129.

      [2]王宇,張俊偉,林永龍.有限元分析軟件Ansys在模態(tài)分析中的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2013(11):83-85.

      [3]侯青林,李衛(wèi)民,張偉.三維實(shí)體造型技巧研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,25(5):334-337.

      [4]胡國良,任繼文,龍銘.ANSYS 13.0有限元分析實(shí)用基礎(chǔ)教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

      [5]鹿雪龍,朱信,賀未明.基于ANSYS的某型四缸內(nèi)燃機(jī)曲軸模態(tài)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2014(12):37-39.

      [6]李鵬,張保成,李星,等,基于HyperWorks的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元模態(tài)分析[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào),2011,24(3):31-32.

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