BMC材料气门罩壳的振动分析

BMC材料气门罩壳的振动分析
严清梅;束铭宇;刘胜吉;徐澍敏
【摘要】在内燃机表面噪声中,气门罩壳是主要的噪声源之一.将BMC材料用于气门罩壳,采用有限元方法对其进行模态分析和谐响应分析,并与铸铝罩壳进行了比较,计算结果表明,BMC材料用于气门罩壳具有减振、降噪的作用.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2006(000)003
【总页数】3页(P203-205)
【关键词】能源与动力工程;振动分析;理论研究;有限元;复合材料;气门罩壳
【作者】严清梅;束铭宇;刘胜吉;徐澍敏
【作者单位】江苏大学,江苏,镇江,212013;江苏大学,江苏,镇江,212013;江苏大学,
江苏,镇江,212013;浙江金华职业技术学院,浙江,金华,321017
【正文语种】中文
【中图分类】TK415
在1台发动机表面声强测试中，表面辐射噪声源测试结果为：表面辐射噪声源按
由大到小的排列次序为一是进气歧管，118.4dB；二是气门罩壳，117.8dB；三是油底壳，115.0dB；四是机油滤清器，114.7dB；五是缸体，114.0dB；六是气缸盖，114.0dB；七是正时齿轮，113.0dB；八是高压油泵，112.8dB。

实验还表明：罩壳的侧面和顶平面的辐射噪声较大，分别为114.5dB和117.8dB[1]。

由此可见，气门罩壳表面辐射噪声在内燃机噪声中占有很大的成分。

团状模塑料BMC是不饱和聚酯树脂、短切玻璃纤维、填料以及各种添加剂经充分混合而成的团状预浸料。

气门罩壳的常用材料是铝合金和铸铁。

与铝合金、钢铁件材料相比，团状模塑料BMC具有质量轻、价格低、耐腐蚀、比强度高（节能）、隔热隔声、易于加工和改型等优点。

目前，国外用工程塑料类复合材料内燃机壳体类零件已批量生产[2]，而国内此类研究工作尚少。

本文将BMC用于气门罩壳，用有限元法对其在相同约束条件下进行模态分析，发现复合材料气门罩壳的各阶固有频率低于压铸铝罩壳。

根据模态分析的结果和发动机通常运行的速度范围，加上相同的载荷对其进行谐响应分析，结果证明BMC罩壳的振幅远小于压铸铝合金罩壳。

有限元方法对气门罩壳的振动模态求解的基本原理如下：
在忽略阻尼的情况下，有限元自由振动方程为
式中—气门罩壳的质量矩阵；
—气门罩壳的刚度矩阵；
—气门罩壳的位移。

可由以下特征方程求得
其中，为气门罩壳自由振动的固有频率。

为气门罩壳的自由振动的各阶固有频率，为罩壳有限元模型的自由度数)。

将求得的代入方程中，得
可以解出一组标准正交基，即为气门罩壳固有振动的振型。

2 实体模型与有限元分析
2.1 模态分析
以1个四缸柴油机气门罩壳为例，在对分析结果不造成很大影响的情况下，模型省略了一些小的倒圆角，工艺结构（如一些工艺小凸台和小的拔模角）得到气门罩
壳的实体模型。

通过有限元软件（ansys 8.0）划分而成的有限元模型，如图1所示。

采用8节点4面体单元（solid45）把模型分为189618个实体单元。

图1 气缸盖罩壳有限元模型
采用block-lanczos法对上面的有限元模型进行计算。

表1为在加约束的条件下，BMC气门罩壳和压铸铝气门罩壳的前20阶固有频率。

计算中取BMC的密度为2.0kg/m3，弹性模量为15GPa，泊松比为0.3；压铸铝的密度为2.8kg/m3 ，弹性模量为69GPa，泊松比为0.33[3]。

从表1中可以看出，BMC气门罩壳的振动
频率约为压铸铝罩壳的振动频率的1/2。

表1 BMC罩壳和铸铝罩壳的固有频率比较
观察分析BMC气门罩壳和压铸铝罩壳各阶振型图，发现BMC气缸盖罩壳的第1
阶振动主要是罩壳的顶面振动；第2阶振动主要是两侧面的振动；第3阶是下面
的密封边线振动，铸铝气门罩壳的各阶振型与BMC罩壳相似。

图2为BMC气门罩壳的第1阶振型图，图3为BMC气门罩壳的第2阶振型图。

由以上模态分析
可以看出气门罩壳表面对外辐射的噪声主要由第1阶和第2阶的振动产生。

这两
阶振动中，BMC气门罩壳的频率分别为33.272Hz和66.965Hz，铸铝罩壳的频
率分别为60.316Hz和121.240Hz。

图2 BMC气门罩壳的第一阶振型
图3 BMC气门罩壳的第二阶振型
2.2 谐响应分析
谐响应分析主要用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续周期响应，以及确定结构承受随时间按正弦规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。

碳素钢螺栓的预紧力为
式中—螺栓材料的屈服极限；
—螺栓危险截面的面积，。

查出相关数据，并由此计算出罩壳下密封面受到的载荷为7.12MPa[4]。

在下密封平面上加上7MPa的简谐激励面载荷，载荷频率的变化范围为30～100Hz，BMC气缸盖罩壳的阻尼比取0.1，铸铝罩壳的阻尼比取0.01[5]，采用谐响应分析中的full方法，用JCG（Jacobi Conjugate Gradient）求解器对其进行求解。

得出BMC罩壳和铸铝罩壳在频率为33Hz、46Hz、59Hz、72Hz、85Hz 和98 Hz时的最大振幅如表2所示。

表2 BMC罩壳和铸铝罩壳的振幅比较
从表2中可以看出，BMC气门罩壳的最大振幅大约只有铸铝罩壳的1/2，图5为BMC罩壳在33Hz时的响应图，通过比较其它各响应的振动图可以看出BMC罩壳和铸铝罩壳的最大振幅位置和面积都相似，因而它们的振动规律基本相同。

在相同频率情况下，BMC气门罩壳的振幅的比铝罩壳小表明BMC气门罩壳的辐射噪声降低。

图5 BMC罩壳在33Hz的响应图
3 结论
(1) BMC是一种以不饱和聚酯为基体的高分子材料，具有较高的阻尼比，通过对复合材料和铸铝材料的罩壳进行模态分析和谐响应分析的对比，得出BMC罩壳在相同激励下的响应振幅只为铸铝响应振幅的1/2。

因此，从理论上证明了BMC 罩壳具有降噪作用。

(2) 与铸铝合金相比，BMC材料质量轻、价格低，材料性能能满足发动机使用要求且可以回收重复使用，因此用BMC复合材料制造气门罩壳推广使用有利于改善发动机的综合性能。

(3) 由于BMC制造罩壳与金属罩壳的加工工艺不同，因而结构上可根据实用要求应用上述方法进一步优化，此项工作有待于今后进一步的开展。

Vibration Analysis of BMC Valve Rocker Cover
YAN Qing-mei1, SHU Ming-yu1, LIU Sheng-ji1, XU Shu-min2
(1.Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.Jinhua Professional Technology Institute, Jinhua 321017, China)
Abstract：Make BMC into valve rocker Cover in this paper .We do modal and Harmonic analysis to it and compared it with cast aluminum valve rocker cover. Analysis result indicated that BMC valve rocker cover can reduce vibration and noises more.
Key words：energy and power engineering; vibration analysis; theoretical research; FEM; composite material; valve rocker cover
收稿日期：2005-03-17
作者简介：严清梅（1980-）,女，江西临川人，硕士研究生，(E-mail)
******************。

中图分类号：TK415
文献标识码：A
文章编号：1003─188X(2006)03─0203─03
可由以下特征方程求得
其中，为气门罩壳自由振动的固有频率。

为气门罩壳的自由振动的各阶固有频率，为罩壳有限元模型的自由度数)。

将求得的代入方程中，得
可以解出一组标准正交基，即为气门罩壳固有振动的振型。

以1个四缸柴油机气门罩壳为例，在对分析结果不造成很大影响的情况下，模型省略了一些小的倒圆角，工艺结构（如一些工艺小凸台和小的拔模角）得到气门罩
壳的实体模型。

通过有限元软件（ansys 8.0）划分而成的有限元模型，如图1所示。

采用8节点4面体单元（solid45）把模型分为189618个实体单元。

采用block-lanczos法对上面的有限元模型进行计算。

表1为在加约束的条件下，BMC气门罩壳和压铸铝气门罩壳的前20阶固有频率。

计算中取BMC的密度为2.0kg/m3，弹性模量为15GPa，泊松比为0.3；压铸铝的密度为2.8kg/m3 ，弹性模量为69GPa，泊松比为0.33[3]。

从表1中可以看出，BMC气门罩壳的振动
频率约为压铸铝罩壳的振动频率的1/2。

观察分析BMC气门罩壳和压铸铝罩壳各阶振型图，发现BMC气缸盖罩壳的第1
阶振动主要是罩壳的顶面振动；第2阶振动主要是两侧面的振动；第3阶是下面
的密封边线振动，铸铝气门罩壳的各阶振型与BMC罩壳相似。

图2为BMC气门罩壳的第1阶振型图，图3为BMC气门罩壳的第2阶振型图。

由以上模态分析
可以看出气门罩壳表面对外辐射的噪声主要由第1阶和第2阶的振动产生。

这两
阶振动中，BMC气门罩壳的频率分别为33.272Hz和66.965Hz，铸铝罩壳的频
率分别为60.316Hz和121.240Hz。

谐响应分析主要用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续周期响应，以及确定结构承受随时间按正弦规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。

碳素钢螺栓的预紧力为
式中—螺栓材料的屈服极限；
—螺栓危险截面的面积，。

查出相关数据，并由此计算出罩壳下密封面受到的载荷为7.12MPa[4]。

在下密封平面上加上7MPa的简谐激励面载荷，载荷频率的变化范围为30～
100Hz，BMC气缸盖罩壳的阻尼比取0.1，铸铝罩壳的阻尼比取0.01[5]，采用谐响应分析中的full方法，用JCG（Jacobi Conjugate Gradient）求解器对其进行求解。

得出BMC罩壳和铸铝罩壳在频率为33Hz、46Hz、59Hz、72Hz、85Hz
和98 Hz时的最大振幅如表2所示。

从表2中可以看出，BMC气门罩壳的最大振幅大约只有铸铝罩壳的1/2，图5为BMC罩壳在33Hz时的响应图，通过比较其它各响应的振动图可以看出BMC罩壳和铸铝罩壳的最大振幅位置和面积都相似，因而它们的振动规律基本相同。

在相同频率情况下，BMC气门罩壳的振幅的比铝罩壳小表明BMC气门罩壳的辐射噪声降低。

(1) BMC是一种以不饱和聚酯为基体的高分子材料，具有较高的阻尼比，通过对复合材料和铸铝材料的罩壳进行模态分析和谐响应分析的对比，得出BMC罩壳在相同激励下的响应振幅只为铸铝响应振幅的1/2。

因此，从理论上证明了BMC 罩壳具有降噪作用。

(2) 与铸铝合金相比，BMC材料质量轻、价格低，材料性能能满足发动机使用要求且可以回收重复使用，因此用BMC复合材料制造气门罩壳推广使用有利于改善发动机的综合性能。

(3) 由于BMC制造罩壳与金属罩壳的加工工艺不同，因而结构上可根据实用要求应用上述方法进一步优化，此项工作有待于今后进一步的开展。

【相关文献】
[1] 梁杰,孙巍,陆日辉,等.CA498型柴油机表面辐射噪声源的识别及其降噪措施[J].吉林大学学报（工学版）,2003,(1):107-109.
[2] 刘胜吉,束铭宇,严清梅,等.树脂基复合材料在发动机的应用研究[J].小型内燃机与摩托车,2004, (6):23-27.
[3] 方昆凡,黄英,单宝峰.机械设计手册(第3篇)[K].北京:化学工业出版社,2000.
[4] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 1996.
[5] 刘棣华.粘弹性阻尼减振降噪应用技术[M].北京:宇航出版社,1990.。