某柴油機缸套的模態分析

山西中北大學機械與動力工程學院 石亦琨 蘇鐵熊 苗會 李坤

1 引言

氣缸套作為內燃機的重要部件，不僅與缸蓋、活塞、活塞環共同形成密閉的燃燒室（燃燒室是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間），而且對活塞的高速往復運動起導向作用，并與活塞環組形成內燃機中條件最惡劣的摩擦副之一，其性能的好壞對內燃機整機性能的好壞起著至關重要的作用[1-5]。

本文以某型號柴油機的缸套為研究對象，對其進行模態分析，并對其頻率、振型和最大變形量進行了分析，為缸套的設計和優化提供了重要依據。

2 缸套有限元模型建立

2.1 實體模型的建立

缸套采用Pro/E軟件進行三維建模，為了更加準確地對缸套的結構進行分析，保留了缸套的所有細節，缸套的三維模型如圖1所示。

圖1 缸套三維模型

2.2 有限元模型的建立

將缸套的三維實體模型導入前處理軟件ANSA中，對其進行材料的設定和邊界條件的施加。首先在ANSA軟件中對導入的模型存在的缺陷進行修復，修復完成之后對模型進行網格劃分。本文為了研究無約束和有約束狀態下缸套的模態分析，在ANSA中對缸套的模型進行材料參數的設定和邊界條件的施加，其中缸套采用SOLID185六面體單元，單元數為2256個。缸套的材料選用 40CrMoAL，泊松比 0.28，密度7720kg/m3，彈性模量20300Mpa。缸套的有限元模型如圖2所示。

圖2 缸套的有限元模型

3 缸套的模態分析

分塊Lanczos模態法具有計算精度高、計算速度快等優點，因此本文采用分塊Lanczos模態法對缸套進行6階模態分析。

3.1 無約束模態分析

缸套的無約束模態也就是自由模態，自由模態下缸套具有六階剛體模態，模態分析求解的結果中前六階缸套的固有頻率為0或接近于0，其實第七階才是真正意義上的第一階固有頻率。

本文采用ANSYS有限元分析軟件對缸套進行模態分析，并提取了前六階的固有頻率和最大變形量。缸套前四階的模態振型如圖3所示，缸套自由模態下前六階的固有頻率和最大變形量由表1給出。從圖表中可以看出，缸套在自由模態下，缸套的頂端和低端主要受到徑向的彎曲振動，而軸向振動卻很小。

圖3 無約束模態下缸套的振型

表1 6階無約束模態的固有頻率和最大變形量

3.2 有約束模態分析

柴油機在正常工作時，缸套不僅承受燃氣燃燒所產生的劇烈的熱負荷及沖擊性機械載荷，而且還激起機體對其的軸向約束作用。因此本文針對缸套與機體的接觸面施加了軸向約束，對缸套在約束的情況下進行了模態計算，計算所得前四階有約束模態振型如圖4所示，前六階的固有頻率和最大變形量如表2所示。

圖4 有約束模態下缸套的振型

表2 6階有約束模態的固有頻率和最大變形量

從圖表中可以看出，缸套在有約束模態下，缸套軸向振動很小，表現不是很明顯，而缸套的頂端和低端在徑向方向上的彎曲振動較軸向明顯，而且最大變形量隨著階次的增大而表現出先增大后減小的趨勢。

4 結論

本文采用ANSYS軟件對缸套在自由模態和有約束模態下進行了對比分析。結果顯示：缸套在模態分析過程中發生徑向彎曲振動，而且彎曲振動是主要振動。因此，在對缸套優化設計時，應考慮柴油機工作時對缸套的徑向彎曲造成的失圓現象。

[1]王虎.內燃機缸套失圓研究[D].合肥:合肥工業大學,2010.

[2]趙斌.基于有限元技術氣缸套的模態分析與可靠性優化[J].壓縮機技術,2006,05:8-11.

[3]王科富,利桂梅,陳樹勛.柴油機缸蓋結構有限元模態分析和模態測試[J].裝備制造技術,2014,01:112-114+130.

[4]張云電,陳光雄.鋼質薄壁缸套的模態分析[J].內燃機,1998,05:22-24.