基于 Abaqus 的曲轴模态压缩,重庆长安汽车股份有限公司动力研究院

基于Abaqus的曲轴模态压缩
李林1，2，郝涛1，2，李凤琴1，2
（1 重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆，401120；2汽车噪声振动和安全技术国家重
点实验室，重庆，401120）
摘要：应用Abaqus软件对曲轴系有限元模型进行模态缩减，得到曲轴系的质量、刚度、
几何、自由度矩阵及模态结果文件，继而进行曲轴系和发动机整机动力学分析。

模态缩
减将有限元模型原来数百万自由度，缩减为几百个自由度，节约了计算时间和成本，显
著提升计算效率。

关键词：Abaqus 曲轴系统有限元模态缩减
Abstract:This paper is about using Abaqus solver to condense model of the crankshaft, obtained the crankshaft matrix of mass, stiffness , geometric and DOF for vibration analysis. The number of degrees of freedom on original FEM had been reduced from several millions to a few hundred, greatly reduced the amount of calculation and showed efficiency on analysis.
Key Words: Abaqus ; Cranktrain ; FEM ;Model Reduce
1 前言
由于发动机汽缸压力和惯性力等各种载荷的作用，曲轴同时发生弯曲和扭转振动。

曲轴振动是发动机振动噪声产生的重要因素。

有限元子结构分析中将每一弹性体可离散成许多集中质量点(含质量和惯量),并计入结构静/动刚度(随振动频率变化)。

子结构上的节点可用来施加外力和力矩，也耦合部件间的相互作用，传递载荷。

利用子结构主自由度节点的运动特性来表征部件运动和变形。

对原FEM模型定义主自由度，。

用有限元模态分析求解器静/动缩减法，获得子结构模型（表征结构固有特征的质量和刚度矩阵，固有频率和模态）。

原FEM可用质量单元、梁、壳或三维实体等线性单元建立[1]。

对于所有主自由度,构成动力学方程组：
其中：[M] 质量矩阵
[K] 结构动态刚度矩阵(随频率变化)
[D] 材料动态阻尼(随频率变化),可用[D]=a[M]+b[K]的线性组合
{x} 位移向量，体现全局运动和局部变形
{f} 载荷向量，包括外载、体间相互作用力
本文采用多体动力学法和有限元法对曲轴进行仿真，应用AVL-Excite、Abaqus软件对某发动机曲轴系进行动力学分析，了解其振动特性。

2 有限元建模
建模的精准性直接影响分析的结果，曲轴有限元模型有必要表现出实际的几何特性。

曲轴系统包括曲轴本体、飞轮、皮带轮（见图1）。

飞轮和皮带轮在不做详细飞轮设计时，控制在几百个单元内。

图1 曲轴系主要组成
为了保证计算精度及网格规模，曲轴系模型均采用六面体网格（见图2），并较好保留曲轴轴颈的圆角特征，在连杆轴颈和主轴颈圆角处进行细化处理保证足够的单元数量和质量。

忽略曲轴结构中的小圆角、油孔、螺栓孔以及加工时的退刀槽等特征。

图2 曲柄销及平衡臂六面体网格
在曲轴系建模涉及主自由度节点的设定，主自由度的选择必需考虑模型的结构(质量和刚度分布)、外载作用形式、结构响应特征、以及有限元模型本身。

根据动力学分析目的的不同和计算量的大小，确定EXCITE的体单元形式和FEM模型主自由度的多少。

对于FEM模型，可自定义每个主自由度节点的自由度个数；同一组主自由度节点位置尽量均匀，最好顺序编号，方便在子结构分析时连接单元的定义。

有限元模型加载时，一般不能施加在单个节点上。

可将多个节点耦合在一个主自由度节点上，用于施加载荷,RBE2。

若有限元模型中无现成节点可作为主自由度节点，可专门另添加主自由节点。

皮带轮压缩点用于分析结果，如扭振角位移、角速度等，通过RBE2将曲轴和皮带轮两侧分别绑定质心位置（见图3），RBE2中心点即为质心位置；
图3 曲轴系压缩主自由度节点
曲柄销耦合连杆大头，连接径向滑动轴承，每段曲柄销中间建立一个RBE2单元，RBE2单元的中心点在曲柄销轴心线上；主轴颈耦合主轴瓦考察滑动轴承的轴承力与弯矩，每段主轴颈在轴瓦宽度内均布三个RBE2单元，飞轮中心点用于加；受扭矩负载，飞轮中心建立一个RBE2单元，RBE2中心点为模态压缩主节点；对于三缸机曲轴，止推轴承在第二主轴颈边缘两点（也是主轴颈压缩点），止推片受轴向力作用，曲轴系模态压缩总共需要压缩18个主自由度节点，在多体动力学中由这18个压缩点传递及表征整个曲轴系的振动情况[2]。

主自由度节点将多个节点连接起来(不能影响分析结构的刚度)，RBE2连接1/2半径内所有点，主节点与从节点耦合6个自由度。

避免影响曲轴轴向刚度，RBE2连接节点在径向同一截面上。

如图4所示。

图4 Rbe2连接示意图
3 模态压缩
利用Excite软件设置生成Abaqus曲轴模态压缩文本，压缩曲轴前十阶模态数据。

在压缩文本中设置输出语句，利用Abaqus软件进行模态压缩。

Abaqus压缩完成后结果文件为SIM文件，压缩后的曲轴系质量/刚度/几何/自由度矩阵均包含在XXX_z1.sim文本中。

Abaqus求解报错信息保存在msg文本中。

曲轴模态压缩产生有模态结果文件。

打开odb文件查看模态结果，如图5所示。

图5 曲轴系前四阶模态结果
将XXX_z1.sim导入A VL-Excite软件中生成EX文件后3D显示，曲轴系压缩18个主节点在3D显示中清晰可见，曲轴轴线与第二连杆轴颈中心对齐位置为坐标原点。

如图6
图6 A VL-Excite曲轴系3D显示
压缩后的文件导入A VL-Excite软件可以进行曲轴振动分析及整机声辐射表面振动速度级分析，如图7、8所示。

图7 主轴承受力图图8 整机声辐射表面振动速度级
4 结论
利用Abaqus软件对曲轴系子结构进行模态缩减，可将原FEM模型数百万自由度，缩减为几百个主自由度，大大的减少了动力学分析的计算量和对计算机的要求，为曲轴子结构、整机级分析提供了有效地支持。

参考文献:
[1] ISG 曲轴系统动力学数值模拟分析杨万里2006
[2] A VL EXCITE Designer,Version 7.0.3,Theory[M].Graz,2007.。