基于Hypermesh和Abaqus的气缸盖动态特性分析
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研究。Email: yi － qian@ jiangnan． edu． cn
第5 期
贺信菊等: 基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
579
格的划分，然后导入 Abaqus 中完成模态分析计算， 并通过模态试验来验证计算结果，为气缸盖的设计 和优化人员提供理论依据以及建模方法的参考。
Abstract: With the combination of the two CAE software Hypermesh and Abaqus，the universal difficulty of modeling complicated finite elements is solved． The cylinder head of a diesel engine is successfully modeled． Modal analysis is carried out and the first six natural frequencies and mode shapes were extracted． By examining the data of modal analysis，the deviations are within 5% ，which explains rather high precision of the finite model and the accuracy of finite elements analysis． The present work lays the foundation for optimization design and dynamic analysis of cylinder head． Key words: cylinder head，modal analysis，experimental modal analysis
贺信菊1， 卜安珍2， 夏兴兰2， 钱 怡1*
( 1. 江南大学 机械工程学院，江苏无锡 214122; 2. 无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063)
摘 要: 采用 CAE 软件 Hypermesh 与 Abaqus 相结合，解决了复杂结构有限元建模难的普遍难题。 建立了某柴油发动机气缸盖的有限元分析模型，并进行模态分析，提取了前 6 阶固有频率及振型。 通过试验模态分析数据检验，误差基本在 5% 以内，说明有限元模型具有较高的精度，同时证明有 限元分析的准确性，为气缸盖的优化设计和动力学分析打下了基础。 关键词: 气缸盖; 模态分析; 试验模态分析 中图分类号: TH 113． 2; TH 113． 1 文献标识码: A 文章编号: 1671 － 7147( 2011) 05 － 0578 － 04
气缸盖三维模型( 见图 1) 倒角、小孔非常多。
对于这种多孔多曲面部件的有限元建模一直是一
个难点。文中采用 Hypermesh 软件作为网格划分工
具，在 保 证 质 量 的 前 提 下，能 够 快 速 完 成 整 个 气 缸
盖的网格划分工作。
图 1 气缸盖三维模型
Fig． 1 Three-dimensional model of cylinder head
误差率 /% 4． 3 5． 1 4． 7 3． 7 3． 1 3． 8
从表 1 可以看出，计算值都略高于实验值，这是 因为在前处理时删除了部分小孔和倒角，导致模型 刚度有少 许 提 高。尽 管 如 此，气 缸 盖 模 态 分 析 计 算
第5 期
贺信菊等: 基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
第 10 卷第 5 期 2011 年 10 月
江 南 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) Jo来自百度文库rnal of Jiangnan University( Natural Science Edition)
Vol． 10 No． 5 Oct． 2011
基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
半来进行分析计算［5］; 梁莎莉等人为保证气缸盖计 算分析的 准 确 性，建 立 计 算 模 型 时，对 其 主 要 结 构 尺寸不作简化，对复杂水腔和气道均采用实际铸造 砂芯尺寸建模，以保证计算结果的准确性［6］。早期， Hell J S 等对气缸盖进行有限元计算时对其复杂的 结构进行过分简化，把复杂的水腔简化成简单的箱 形结构，弯 曲 的 气 道 则 用 简 单 的 圆 柱、圆 锥 等 几 何 元素来代替。
无法删除 的 孔、面 可 先 采 用 小 尺 寸 划 分 网 格，随 后
其他用较 大 尺 寸 划 分，最 后 修 复 连 接 处 的 网 格。完
成面网格之后需进行网格清理。清理 2D 网格可采
用 Hypermesh 自带的 Auto Cleanup 功能自动清理加
手动调整，完 成 后 检 查 网 格 封 闭 性，最 后 由 面 网 格
581
值与试验结果相对误差基本在 5% 以下，符合工程 实际要求的精度。这表明气缸盖的有限元模型能较 好地反应气缸盖的动态特性。
3 结语
采用 Hypermesh 软件对整个气缸盖直接划分网
格，成 功 地 建 立 了 气 缸 盖 的 有 限 元 模 型，解 决 了 复 杂的零部件建模难的问题。在 Abaqus 中对模型进行 模态分析计算，得到了所需要的模态参数。
图 2 缸盖有限元网格
生成体网 格。当 个 别 面 网 格 不 能 生 成 体 网 格 时，需 重新调整，直至能生成体网格为止。
图 2 为气缸盖的四面体单元有限元模型，其材 料为 HT250，密度为 7 280 kg / m3 ，杨氏模量为 1． 3 ×
Fig． 2 Finite element mesh of cylinder head
综上可见，在 少 量 简 化 的 前 提 下，对 整 个 气 缸 盖直接建立有限元模型是比较困难的。因此文中利 用 Hypermesh 和 Abaqus 两款软件结合完成气缸盖 的模态分析。首先在 Hypermesh 完成气缸盖整体网
收稿日期: 2011 － 08 － 20; 修订日期: 2011 － 09 － 07。 作者简介: 贺信菊( 1985—) ，女，重庆人，机械设计专业硕士研究生。 * 通信作者: 钱 怡( 1962—) ，女，江苏无锡人，副教授，硕士生导师。主要从事机械及包装结构的动、静态性能等
1． 3 气缸盖自由模态分析结果 图 3 为采用 ABAQUS 分析的气缸盖的模态结
果。从振型图可以看出气缸盖在不同频率下的主振
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江 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 10 卷
型: 第 1 阶振型为平面弯曲; 第 2 阶振型则以扭转为 主; 第 3 阶振型为缸盖整体绕 Z 轴的弯曲变形。
表 1 气缸盖固有频率 Tab． 1 Natural frequencies of cylinder head
模态阶次
1 2 3 4 5 6
计算值 1 158 1 440 1 885 2 467 2 775 3 030
频率 /Hz 实验值 1 110 1 370 1 800 2 370 2 690 2 920
气缸盖是内燃机的关键部件，其动态性能的好 坏直接影响内燃机的性能，因此对气缸盖动态特性 的研究显得尤为重要。模态分析提供了一种研究零 部件动态 性 能 的 有 效 途 径，通 过 模 态 分 析，可 以 得 到表征 结 构 动 态 性 能 的 固 有 频 率、振 型 等 参 数［1］。 目前建立此类复杂零部件的有限元模型常用方法 有以下几种: 田育耕等采用 I-DEAS 软件对缸盖的 网格划分采用分块法，即把一个复杂的模型分成多 个简 单 的 块，对 块 划 分 好 网 格 后 再 连 接 在 一 起［2］; 段峰 和 骆 清 国 等 分 别 采 用 MAC /NASTRAN 和 ANSYS Workbench 软件划分网格，只取单缸代替整 个缸盖进行分析［3-4］; 陆威嵛等则是取气缸盖的一
通过试验 验 证，表 明 该 方 法 不 仅 建 模 便 捷，且 具有较高 的 精 度，对 复 杂 结 构 的 有 限 元 建 模、分 析 具有指导意义。
Hypermesh 是一个高效的有限元前后处理器， 能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型， 与多种 CAD 和 CAE 软件有良好的接口并具有高效 的网格划分功能［7］。Abaqus 则是一款功能强大的有 限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系 统，模拟庞大复杂的模型，处理高度非线性问题［8］。 通过这两款软件的结合使用，便可完成极其复杂的 零部件有限元分析。
由于模态与外载荷无关，故不需要设置载荷边
界条 件，又 因 为 结 构 阻 尼 对 固 有 频 率 的 影 响 很 小，
在求解 固 有 频 率 和 振 型 时 可 以 不 考 虑 阻 尼，因 此，
令式( 1) 中的阻尼和载荷为 0，再进行坐标变换，可
得到无阻尼自由振动方程［3］:
( ［K］ － ω2［M］) { q} = 0
( 2)
式中: ω 为自由振动固有频率; ［M］，［K］分别为结
构质量、刚度矩阵。
特征方程为 | ［K］ － ω2［M］| = 0
展开行列式，得到关于 ω2 的 n 次多项式的特征值，
即为离散模型的固有频率，将特征值带入式( 2) 就
可得出特征向量，从而获得给定频率下的振型。
1． 2 气缸盖有限元模型的建立
图 3 气缸盖前 6 阶振型 Fig． 3 First six mode shapes of cylinder head
1． 4 模态试验 为了 验 证 模 型 的 准 确 性，对 结 构 进 行 模 态
测试。
1) 试验仪器 B＆K 560C 型 PULSE 振动与声学分析系统。 2) 试验方法 利用锤 击 模 态 试 验 法，设 置 测 试 频 率 范 围 为 0 ～ 3 200 Hz，由传递函数获取结构的固有频率等参 数。测试系统原理图如图 4 所示。 为避免遗漏结构的模态，分别在气缸盖的不同 面上布置 传 感 器，并 采 用 多 点 锤 击，以 避 免 由 于 锤 击点在节点上带来的不准确性［9］。文中试验将传感 器分别放在气缸盖的两个不同面上，每次测试 9 个 点，其中每个点敲击 10 次，取平均值。然后，将传感 器在不同位置时测出的值进行对比，以验证测试结 果是否准 确。气 缸 盖 的 悬 挂 采 用 柔 性 绳，悬 挂 位 置 和锤击点位置分布如图 5 所示。
1 模态分析原理与气缸盖模型分析
1． 1 模态分析原理 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态
具有特定 的 固 有 频 率、阻 尼 比 和 模 态 振 型。对 于 一 个多自由度系统，其振动方程［3］ 为
［M］{ X¨ } + ［C］{ ·X} + ［K］{ X} = { F( t) } ( 1)
图 5 测试现场 Fig． 5 Test site
图 4 试验系统原理 Fig． 4 Test system schematic
2 有限元结果与试验结果比较
表 1 列出了通过有限元法和试验模态分析所得 的气缸盖的前 6 阶固有频率，传递函数如图 6 所示。
读取图中各曲线峰值重叠较多处的频率即为该结 构的固有频率。
Dynamic Analysis of Cylinder Head Based on Hypermesh and Abaqus
HE Xin-ju1 ， BU An-zhen2 ， XIA Xing-lan2 ， QIAN Yi1*
( 1. School of Mechanical Engineeing，Jiangnan University，Wuxi 214122， China; 2. FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，Wuxi 214063，China)
采用 Hypermesh 快速划分复杂零件四面体网 105 MPa，泊松比为 0． 27; 模型总节点数为 43 593，单
格时的基本思想是先生成面网格，然后由面网格生 元数为 145 747。
成体网格。首 先 清 理 三 维 模 型，删 除 一 些 影 响 网 格
质量但又对分析计算影响不大的小孔小面等。一些
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贺信菊等: 基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
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格的划分，然后导入 Abaqus 中完成模态分析计算， 并通过模态试验来验证计算结果，为气缸盖的设计 和优化人员提供理论依据以及建模方法的参考。
Abstract: With the combination of the two CAE software Hypermesh and Abaqus，the universal difficulty of modeling complicated finite elements is solved． The cylinder head of a diesel engine is successfully modeled． Modal analysis is carried out and the first six natural frequencies and mode shapes were extracted． By examining the data of modal analysis，the deviations are within 5% ，which explains rather high precision of the finite model and the accuracy of finite elements analysis． The present work lays the foundation for optimization design and dynamic analysis of cylinder head． Key words: cylinder head，modal analysis，experimental modal analysis
贺信菊1， 卜安珍2， 夏兴兰2， 钱 怡1*
( 1. 江南大学 机械工程学院，江苏无锡 214122; 2. 无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063)
摘 要: 采用 CAE 软件 Hypermesh 与 Abaqus 相结合，解决了复杂结构有限元建模难的普遍难题。 建立了某柴油发动机气缸盖的有限元分析模型，并进行模态分析，提取了前 6 阶固有频率及振型。 通过试验模态分析数据检验，误差基本在 5% 以内，说明有限元模型具有较高的精度，同时证明有 限元分析的准确性，为气缸盖的优化设计和动力学分析打下了基础。 关键词: 气缸盖; 模态分析; 试验模态分析 中图分类号: TH 113． 2; TH 113． 1 文献标识码: A 文章编号: 1671 － 7147( 2011) 05 － 0578 － 04
气缸盖三维模型( 见图 1) 倒角、小孔非常多。
对于这种多孔多曲面部件的有限元建模一直是一
个难点。文中采用 Hypermesh 软件作为网格划分工
具，在 保 证 质 量 的 前 提 下，能 够 快 速 完 成 整 个 气 缸
盖的网格划分工作。
图 1 气缸盖三维模型
Fig． 1 Three-dimensional model of cylinder head
误差率 /% 4． 3 5． 1 4． 7 3． 7 3． 1 3． 8
从表 1 可以看出，计算值都略高于实验值，这是 因为在前处理时删除了部分小孔和倒角，导致模型 刚度有少 许 提 高。尽 管 如 此，气 缸 盖 模 态 分 析 计 算
第5 期
贺信菊等: 基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
第 10 卷第 5 期 2011 年 10 月
江 南 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) Jo来自百度文库rnal of Jiangnan University( Natural Science Edition)
Vol． 10 No． 5 Oct． 2011
基于 Hypermesh 和 Abaqus 的气缸盖动态特性分析
半来进行分析计算［5］; 梁莎莉等人为保证气缸盖计 算分析的 准 确 性，建 立 计 算 模 型 时，对 其 主 要 结 构 尺寸不作简化，对复杂水腔和气道均采用实际铸造 砂芯尺寸建模，以保证计算结果的准确性［6］。早期， Hell J S 等对气缸盖进行有限元计算时对其复杂的 结构进行过分简化，把复杂的水腔简化成简单的箱 形结构，弯 曲 的 气 道 则 用 简 单 的 圆 柱、圆 锥 等 几 何 元素来代替。
无法删除 的 孔、面 可 先 采 用 小 尺 寸 划 分 网 格，随 后
其他用较 大 尺 寸 划 分，最 后 修 复 连 接 处 的 网 格。完
成面网格之后需进行网格清理。清理 2D 网格可采
用 Hypermesh 自带的 Auto Cleanup 功能自动清理加
手动调整，完 成 后 检 查 网 格 封 闭 性，最 后 由 面 网 格
581
值与试验结果相对误差基本在 5% 以下，符合工程 实际要求的精度。这表明气缸盖的有限元模型能较 好地反应气缸盖的动态特性。
3 结语
采用 Hypermesh 软件对整个气缸盖直接划分网
格，成 功 地 建 立 了 气 缸 盖 的 有 限 元 模 型，解 决 了 复 杂的零部件建模难的问题。在 Abaqus 中对模型进行 模态分析计算，得到了所需要的模态参数。
图 2 缸盖有限元网格
生成体网 格。当 个 别 面 网 格 不 能 生 成 体 网 格 时，需 重新调整，直至能生成体网格为止。
图 2 为气缸盖的四面体单元有限元模型，其材 料为 HT250，密度为 7 280 kg / m3 ，杨氏模量为 1． 3 ×
Fig． 2 Finite element mesh of cylinder head
综上可见，在 少 量 简 化 的 前 提 下，对 整 个 气 缸 盖直接建立有限元模型是比较困难的。因此文中利 用 Hypermesh 和 Abaqus 两款软件结合完成气缸盖 的模态分析。首先在 Hypermesh 完成气缸盖整体网
收稿日期: 2011 － 08 － 20; 修订日期: 2011 － 09 － 07。 作者简介: 贺信菊( 1985—) ，女，重庆人，机械设计专业硕士研究生。 * 通信作者: 钱 怡( 1962—) ，女，江苏无锡人，副教授，硕士生导师。主要从事机械及包装结构的动、静态性能等
1． 3 气缸盖自由模态分析结果 图 3 为采用 ABAQUS 分析的气缸盖的模态结
果。从振型图可以看出气缸盖在不同频率下的主振
580
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第 10 卷
型: 第 1 阶振型为平面弯曲; 第 2 阶振型则以扭转为 主; 第 3 阶振型为缸盖整体绕 Z 轴的弯曲变形。
表 1 气缸盖固有频率 Tab． 1 Natural frequencies of cylinder head
模态阶次
1 2 3 4 5 6
计算值 1 158 1 440 1 885 2 467 2 775 3 030
频率 /Hz 实验值 1 110 1 370 1 800 2 370 2 690 2 920
气缸盖是内燃机的关键部件，其动态性能的好 坏直接影响内燃机的性能，因此对气缸盖动态特性 的研究显得尤为重要。模态分析提供了一种研究零 部件动态 性 能 的 有 效 途 径，通 过 模 态 分 析，可 以 得 到表征 结 构 动 态 性 能 的 固 有 频 率、振 型 等 参 数［1］。 目前建立此类复杂零部件的有限元模型常用方法 有以下几种: 田育耕等采用 I-DEAS 软件对缸盖的 网格划分采用分块法，即把一个复杂的模型分成多 个简 单 的 块，对 块 划 分 好 网 格 后 再 连 接 在 一 起［2］; 段峰 和 骆 清 国 等 分 别 采 用 MAC /NASTRAN 和 ANSYS Workbench 软件划分网格，只取单缸代替整 个缸盖进行分析［3-4］; 陆威嵛等则是取气缸盖的一
通过试验 验 证，表 明 该 方 法 不 仅 建 模 便 捷，且 具有较高 的 精 度，对 复 杂 结 构 的 有 限 元 建 模、分 析 具有指导意义。
Hypermesh 是一个高效的有限元前后处理器， 能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型， 与多种 CAD 和 CAE 软件有良好的接口并具有高效 的网格划分功能［7］。Abaqus 则是一款功能强大的有 限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系 统，模拟庞大复杂的模型，处理高度非线性问题［8］。 通过这两款软件的结合使用，便可完成极其复杂的 零部件有限元分析。
由于模态与外载荷无关，故不需要设置载荷边
界条 件，又 因 为 结 构 阻 尼 对 固 有 频 率 的 影 响 很 小，
在求解 固 有 频 率 和 振 型 时 可 以 不 考 虑 阻 尼，因 此，
令式( 1) 中的阻尼和载荷为 0，再进行坐标变换，可
得到无阻尼自由振动方程［3］:
( ［K］ － ω2［M］) { q} = 0
( 2)
式中: ω 为自由振动固有频率; ［M］，［K］分别为结
构质量、刚度矩阵。
特征方程为 | ［K］ － ω2［M］| = 0
展开行列式，得到关于 ω2 的 n 次多项式的特征值，
即为离散模型的固有频率，将特征值带入式( 2) 就
可得出特征向量，从而获得给定频率下的振型。
1． 2 气缸盖有限元模型的建立
图 3 气缸盖前 6 阶振型 Fig． 3 First six mode shapes of cylinder head
1． 4 模态试验 为了 验 证 模 型 的 准 确 性，对 结 构 进 行 模 态
测试。
1) 试验仪器 B＆K 560C 型 PULSE 振动与声学分析系统。 2) 试验方法 利用锤 击 模 态 试 验 法，设 置 测 试 频 率 范 围 为 0 ～ 3 200 Hz，由传递函数获取结构的固有频率等参 数。测试系统原理图如图 4 所示。 为避免遗漏结构的模态，分别在气缸盖的不同 面上布置 传 感 器，并 采 用 多 点 锤 击，以 避 免 由 于 锤 击点在节点上带来的不准确性［9］。文中试验将传感 器分别放在气缸盖的两个不同面上，每次测试 9 个 点，其中每个点敲击 10 次，取平均值。然后，将传感 器在不同位置时测出的值进行对比，以验证测试结 果是否准 确。气 缸 盖 的 悬 挂 采 用 柔 性 绳，悬 挂 位 置 和锤击点位置分布如图 5 所示。
1 模态分析原理与气缸盖模型分析
1． 1 模态分析原理 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态
具有特定 的 固 有 频 率、阻 尼 比 和 模 态 振 型。对 于 一 个多自由度系统，其振动方程［3］ 为
［M］{ X¨ } + ［C］{ ·X} + ［K］{ X} = { F( t) } ( 1)
图 5 测试现场 Fig． 5 Test site
图 4 试验系统原理 Fig． 4 Test system schematic
2 有限元结果与试验结果比较
表 1 列出了通过有限元法和试验模态分析所得 的气缸盖的前 6 阶固有频率，传递函数如图 6 所示。
读取图中各曲线峰值重叠较多处的频率即为该结 构的固有频率。
Dynamic Analysis of Cylinder Head Based on Hypermesh and Abaqus
HE Xin-ju1 ， BU An-zhen2 ， XIA Xing-lan2 ， QIAN Yi1*
( 1. School of Mechanical Engineeing，Jiangnan University，Wuxi 214122， China; 2. FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，Wuxi 214063，China)
采用 Hypermesh 快速划分复杂零件四面体网 105 MPa，泊松比为 0． 27; 模型总节点数为 43 593，单
格时的基本思想是先生成面网格，然后由面网格生 元数为 145 747。
成体网格。首 先 清 理 三 维 模 型，删 除 一 些 影 响 网 格
质量但又对分析计算影响不大的小孔小面等。一些