基于ANSYS的發(fā)動機(jī)缸體模態(tài)分析

倪建華

摘 要：文章以某四缸發(fā)動機(jī)缸體為研究對象，采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析。首先在UG軟件中建立發(fā)動機(jī)缸體的三維實(shí)體簡化模型；然后將發(fā)動機(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)動機(jī)缸體的各階固有頻率和振型，分析發(fā)動機(jī)工作時外在激勵對缸體的影響，為發(fā)動機(jī)缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動力學(xué)分析提供理論依據(jù)。

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

1 概述

發(fā)動機(jī)缸體是構(gòu)成發(fā)動機(jī)的基體，起著保證發(fā)動機(jī)的動能產(chǎn)生和動力輸出的作用。發(fā)動機(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)動慣性力等周期性的載荷，這些載荷形成周期性激勵。發(fā)動機(jī)缸體質(zhì)量較大，振動時對整車的影響也較大。為了防止周期性的激勵引起發(fā)動機(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)時避開外在激勵頻率，因此有必要因此有必要分析發(fā)動機(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)動機(jī)缸體為鑄造的箱體類零件，其表面上分布著各種凸臺、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較弱，在ANSYS軟件中對復(fù)雜的發(fā)動機(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)缸體為研究對象。建立有限元模型時，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)雜會導(dǎo)致難以計(jì)算，因此有必要對缸體模型進(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、油道等，對發(fā)動機(jī)總體影響很小。而這些細(xì)小孔洞在劃分網(wǎng)格時單元較小，會使模型單元總數(shù)急劇增大，分析時耗費(fèi)時間也會成倍增加。

（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，對應(yīng)力的分布影響較大，建模時還是要考慮。

（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)動機(jī)缸體有限元模型

將Prasolid格式的發(fā)動機(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)格劃分功能對發(fā)動機(jī)缸體的模型劃分網(wǎng)格。智能網(wǎng)格適合于對復(fù)雜的模型直接劃分，可防止對模型各部分分別劃分網(wǎng)格后重新合并時引起的不匹配問題[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個單元，263862個節(jié)點(diǎn)。

4 模態(tài)分析和結(jié)果討論

4.1 模態(tài)分析

對發(fā)動機(jī)缸體模態(tài)分析時，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個剛體自由度[5]。因此，模態(tài)分析求解所得的發(fā)動機(jī)缸體前6階固有頻率為零，第7階為第一個非零固有頻率[6]。

利用ANSYS 軟件中的Block Lanczoe 法計(jì)算發(fā)動機(jī)缸體的12 階模態(tài)，并提取發(fā)動機(jī)缸體的第7階至第12階的固有頻率和振型。發(fā)動機(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，也就是沿缸體分布方向的彎曲振動。第8階固有頻率為1404Hz，振型（圖4）為一種復(fù)合振動，包括缸體裙部的二階彎曲振動和軸承座的彎曲振動。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。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，其振型特點(diǎn)是，第1，3主軸承座振動最大，且振動方向相反。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，此時不僅對缸體產(chǎn)生疲勞破壞，還會對安裝在其內(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）由兩種振動構(gòu)成，包括缸體裙部繞X軸的二階彎曲振動和軸承座處沿Y軸的往復(fù)振動，但缸體上部變形很小。

該發(fā)動機(jī)工作時，最大轉(zhuǎn)速為3600rpm，對應(yīng)的四個氣缸燃燒振動的激勵為120Hz；活塞往復(fù)運(yùn)動慣性沖擊振動頻率為240Hz，均遠(yuǎn)小于第7階模態(tài)分析時的固有頻率為673Hz，因此不會引起發(fā)動機(jī)缸體的共振。

5 結(jié)束語

（1）利用UG軟件建立了發(fā)動機(jī)缸體簡化模型。

（2）在ANSYS軟件中對發(fā)動機(jī)缸體進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算了發(fā)動機(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）通過對發(fā)動機(jī)缸體自由模態(tài)有限元分析，證明發(fā)動機(jī)缸體不會與外在激勵共振，為發(fā)動機(jī)缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動力學(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.

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