计算模态分析在发动机设计中的应用锯骨机

计算模态分析在发动机设计中的应用

计算模态分析在发动机设计中的应用 2012年07月27日 随着汽车产业的飞速发展，发动机行业也是在快速推进，对发动机的要求越来越高，既要求发动机总成开发周期更短，产品成本更低，义要求发动机的品质更高(高动力、低油耗、少的排放、低振动、低噪声、轻量化、高强度、高可靠性等)。基于以上要求，对发动机设计开发以及发动机量产后的产品维护与零部件更改，都而临巨大的挑战。就零部件结构设计来说，由于成本的压缩，企业孺利的需求，零件不能使用高性能的材料，但同时义要求零部件整体质量小，且义能承受足够的强度，能降低振动与表而辐射噪声，有良好的动态响应，有高可靠性和耐久性。 计算模态分析，是通过有限元的方法对结构或系统模态进行提取，获知零部件结构振型、吲有频率、各阶次动态位移、应变能、应变能密度、动态刚度等结果，运用这些结果对结构及系统进行评价，寻找结构优化方案。计算模态分析是对进行零部件结构动态响应分析的基础，计算模态分析结合结构动态响应分析，可有效校核结构振动特性，通过结构优化，大大降低结构吲有频率和表而辐射噪声。 本文土要通过列举发动机零部件模态分析实例(发动机支架、进气歧管系统等)，来分析计算模态分析在发动机零部件结构设计中的重要作用[2-41。

1 模态分析基本理论

模态是机械结构的吲有振动特性，每-个模态具有特定的吲有频率、阻尼比和模态振型。模态分析分为计算模态分析与试验模态分析，模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼。2 采用计算模态分析的步骤和内容 计算模态分析在发动机零部件结构设计中应用广泛，土要作用有评价现有结构系统的动态特性；在新产品设计中进行结构动态特性预估和优化设计；诊断及预报结构系统的故障，根据振型的分析判断裂纹的位置；控制结构的辐射噪声；识别结构系统的载荷等，模态分析是做系统响应、振动噪声分析的基础。 在发动机上要进行模态分析的零部件有：缸体自由模态，机油盘约束模态，曲轴自由模态，发电机与压缩机支架和托架模态，进排气歧管模态，机油标尺与机油标尺导管模态，机油标尺与机油标尺导管模态，正时链盒模态，缸盖罩模态，隔热罩模态，EGR系统模态，各种支架模态，集滤器导管模态以及曲轴扭振等。主要校核结构系统的吲有频率是否超过发动机土激励频率，以及评价在吲有频率下的结构变形后产生失效的危险性，寻找提高结构系统吲有频率和避免危险变形的方法即l。3 结构模态实例分析3．1发电机支架与托架计算模态分析 发电机支架与托架通过螺栓与发电机和压缩机相连接，曲轴皮带轮带动发电机和压缩机的皮带轮转动，如果是4缸四冲程发动机，在6 000 r／rain转速下运动，发动机的土激励频率为200 Hz，所以整个发电机、压缩机及托架和支架系统的吲有频率要至少要超过200 Hz。3．2进气歧管系统模态分析 为了减小发动机的进气阻力，以提高发动机的进气效率，现在开发的车用汽油机，进气歧管基本采用掣料制成，掣料相对于铸铝材料，强度和弹性模量都较低。发动机运行时，掣料歧管振裂的可能性大，但掣料歧管轻便且成本低。在对4缸四冲程发动机进气歧管系统进行模态分析时，也要求其一‘阶吲有频率大于200 Hz。 针对以上分析结果，提高进气歧管系统吲有频率，避免上下弯曲共振的方法有： (1)在进气歧管大的弯角出增加加强筋； (2)提高支撑板的刚度，如增加支撑板厚度； (3)在缸体上增加吲定支撑位； (4)减小节流阎体质量等。 通过原始模型的模态分析，笔者通过在歧管大弯角出增加加强筋，提高歧管刚度的方法来提高系统吲有频率。更改前后的数模对比，圆圈处为增加的加强筋。 之后，设计工程师通过增加支撑板厚度和在歧管各管间增加横向加强筋，则进气歧管系统的-‘阶吲有频率能超过200 Hz。 通过以上两个实例的分析，笔者总结出提高结构系统吲有频率的方法： (1)优化结构，减小零部件的净质量，适当增加加强筋； (2)优化吲定位置，减小零部件质心离吲定位距离； (3)优化零部件的空间布置，过长的零件需增加支撑； (4)采用高弹性模量的材料； (5)采取任何提高结构系统刚度的其他措施等。 计算模态分析，是评估发动机结构系统以及零部件的动态特性、进行结构优化、提高结构抗振和抗疲劳能力的有效工具。从文中所述，可做如下小结： -‘是从模态计算公式可知，结构系统吲有频率可通过提高结构刚度，减小零件净质量来提高； 二是计算模态分析在发动机零部件结构校核与优化中应用广泛，进行结构系统模态分析时，按照CAD导入、模态计算、结构优化、优化后的结构模态计算这个循环，直至结构系统模态特性达到设计H标； 三是通过对发电机支架与托架模态分析以及进气歧管系统模态分析，总结出提高结构系统吲有频率的方法。

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