EA888型发动机缸体模态分析

第32卷第3期 2 0 1 7年8月

青岛大学学报（工程技术版）

JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)

V ol. 32 No. 3

A u g.2 0 17

文章编号：1006 - 9798(2017)03 -0140 - 05; DOI:10.13306/j.1006 - 9798.2017.03.026

EA888型发动机缸体模态分析

王楠1，张洪信1，赵清海2，尹怀仙1，张铁柱2

(1.青岛大学机电工程学院，山东青岛266071;

2.青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛266071)

摘要：为了避免共振并满足发动机缸体的强刚度要求，本文以E A888发动机缸体为研究对象，对

发动机缸体进行模态分析。分别利用C A T I A和有限元软件H y p e r m e s h l l. 0建立了发动机缸体

实体模型和有限元模型，然后进行网格划分及模态计算，最后利用L M S振动模态分析系统对缸体

的模态进行实验分析，并与有限元计算模态结果进行对比。分析结果表明，两者所得固有频率吻合

性较高，验证了有限元分析结果的正确性。该研究为缸体振动特性分析和结构优化奠定了基础。

关键词：发动机缸体；有限元模态分析；实验模态分析；振动特性

中图分类号：U464. 13 文献标识码：A

随着经济和社会的发展，环境问题越来越严重，汽车发动机产生的振动也受到人们的关注[1]。发动机的振动 不仅损坏机器本身，而且其发出的噪声会危害人们的健康[2]。因此，在发动机的设计阶段进行模态分析，控制 发动机缸体的振动、降低噪声成为发动机设计研究的一个重要方向[3]。高艳霞等人[4]利用A n s y s软件建立发动 机缸体的有限元模型，并进行了计算模态分析以及振动响应分析，对发动机缸体的设计以及生产有一定的指导作 用；石勇等人[5]利用有限元分析软件A B A Q U S对某柴油机缸体进行了自由模态计算分析，得到了发动机缸体的 前10阶固有频率和振型，利用D A S P系统对其进行了试验模态分析，并对有限元结果和试验模态结果进行对比，计算得到固有频率和试验值最大相差5. 7%，一定程度上验证了仿真模型的准确性。但以上研究只对比了前 10阶固有频率，而没有对比振型结果。基于此，本文以E A8888发动机缸体为研究对象，建立了发动机缸体的有 限元仿真计算模型。基于L M S振动模态分析系统的Pre- T e s t模块，以有限元模型的模态分析为基础，以各个 点的相关性最小为原则确定测点布置方案；利用L M S软件振动模态[6]分析系统进行了缸体的模态实验分析，得 到模态置信矩阵，各个点的频响函数、相干函数和稳态图等指标验证了试验模态的准确性。最后与有限元计算模 态结果对比分析，两者所得固有频率吻合性较高，验证了有限元分析结果的正确性。该研究为缸体振动特性分析

和结构优化奠定了基础。

1缸体有限元模型的建立

发动机缸体是铸造的箱类零件，形状和结构都很复杂[7]。气缸机是整个发动机的最主要的部件，它将发动机 的各个气缸和曲轴箱连接在一起，是安装曲轴、活塞以及其他零部件的支承骨架[8]。本文利用C A D法国达索公 司的C A T I A建立发动机缸体的三维实体模型。

在计算缸体结构固有振动特性时，网格划分应均勻。由于气缸体固有频率和振型与它本身质量和刚度分布 有关，气缸体不存在应力集中现象，因此采用相对较均勻的四面体网格划分，对于气缸体结构的质量和刚度矩阵 的分布元素相差不大，分析的实体固有频率和振型较准确[9]。采用S〇lid45计算实体自由模态，单元大小为4 m m，每个单元有8个节点，每个节点有三个方向自由度，适合不规则模型网格划分[1°]。该缸体由灰铸 铁铸成，设置材料相关参数为：弹性模量£=1〇〇 G P a，泊松比M=0.3,密度^0=7 OCX)k g/m3。划分后缸体节点数 为139 452,单元数为586 700。

收稿日期：2017 - 01 -03;修回日期：2017 - 04 - 20

作者筒介：王楠（1988 -)，男，山东省惠民县，硕士研究生，主要研究方向为节能与新能源汽车。

通讯作者：赵清海（1985 -)，男，博士，主要研究方向为车辆新型动力传动技术及其电子化。Email:zqhbit@

第3期王楠，等：E A 888型发动机缸体模态分析141

频率/H z

图2 3号测点频响函数曲线

频率/H z

图3 3号测点相干函数曲线

0.0

4 100.0

2)数据模态识别。.通过L M S T e s t L a b 13A 测试分析，得到所测点的稳态图如图4所示…图中的“0”表 示极点不稳定;“f ’点表示只有模态频率不变；“d ”表示频率和阻尼不变；‘V *表示模态向量：不变；“s”表示得到的极 点和留点数基本不变[1=]。只有稳定地标有“s ”的频率，才可以确定是真实的实验模态频率。

2

缸体有限元模态分析

为对比分析气缸体的计算模态和实验模态数据结果，采用仿真计算模型与测试系统相闻的边界条件[11]。在

实验模态测试分析时，缸体在弹性绳的约束下自由悬挂;理论计算肘，同样不加任何约束和力，所以前6阶固有频 率几乎为零•缸体模态分析从第？阶开始。通过H y p e r m e s h 11.0进行模态计算M ，缸体前6阶模态频率如表1

所示5由表1可以看出，缸体1阶固有频率达500 H z 以上，远大于汽油机最高转速时的激振频率，可见气缸体有

限元仿真模塑的模态频率在合理范围内，避免了发动机共振现象的发生^

表1

缸体前6阶模态频率

阶数

有限元模型频率/Hz

阵型特征阶数

有限元模型频率/Hz

阵型特征1534. 360绕尤轴的整体扭转41 602. 038绕尤轴2阶弯曲21 106. 610绕:y 轴的1阶弯曲51 731. 460绕轴的局部扭转3

1 566. 890

绕•〇：轴的2阶弯曲

6

1 734. 919

绕：y 轴的2阶弯曲

3

发动机缸体的实验模态分析

3.1实验模态测试系统

实验系统由激振部分、拾振部分、数据采集及谱分析部分和曲线

拟合及模态参数识别部分4个部分组成。实验系统框图如_1所示s 3. 2

发动机缸体的支撑及激励方式和测点的选取

实验缸体选用自由支撑，用较软的弹性绳将试件悬挂起来，只是

S 由-自由条件的近似6为使这种悬挂影响最小，悬挂试件的连接点

度琢可能选择处于多的模态节遵Jfc 或者其附近。.

为了减少移动传感器对实验结果准确度的影响，该实验选择固

图1

实验系统框图

定传感器，移动力棰*击测试点的非连接式单点激励^在布点位.賛的选择上V 尽量避免布在缸体的节点处，应尽 可能反应缸体的整体振动特性以及缸体的大体轮廓;而布点数量既要在主:要部位多布点，次要部位布点稀疏些， 也要保证总体布置较均匀。结合实际情况，对缸体布置85个测点，并采用P C -D M I S 测出了它们的三坐标63.3实验模态数据处理

1)数据处理。缸体布置85个测试点，多次敲击测量得到各个点的传递函数及相千函数曲线，为避免对缸 体的固有特性分析造成影响，删除响应结果与线性相干性不好的点。通过对不同测点的F R F 及C o h e re n c e 函数

曲线进行分析，得3号测点频响函数曲线如图2所示，3号测点相I 午函数曲线如图2所示。由图3可以看出，相

午函数基本接近1,验怔了实验测试的可靠性。

(7?s )/產

7

M 3/l

m