船用柴油机机体组合结构模态分析方法
【精品】船舶柴油机轮机柴油机的结构和主要零部件
&船舶柴油机（轮机）--模块二柴油机的结构和主要零部件--黄步松主讲福建交通职业技术学院船政学院模块二柴油机的结构和主要零部件重点：柴油机各主要部件的作用、工作条件、工作原理及结构特点，各部件的常见故障及原因，管理注意事项。
难点：燃烧室部件承受的机械负荷、热负荷及分析，缸套、活塞、连杆、十字头、曲轴、活塞杆填料涵及活塞冷却机构的结构，曲柄排列与发火顺序。
缸盖燃烧室部件缸套活塞组件主要零部件连杆曲柄连杆机构曲轴主轴承主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓单元一燃烧室部件一、燃烧室部件承受的负荷1．机械负荷机械负荷指受力部件承受气体力、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。
主要以气体力和惯性力为主。
柴油机的机械负荷有两个特点：一是周期交变；二是具有冲击性。
1）安装应力：安装应力与预紧力成正比。
因此，安装气缸盖时不应过分紧固，否则会使气缸套、气缸盖发生损伤。
另外，将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。
2）气体力：气体力是周期变化的，其最大值为最高爆炸压力，变化频率与转速有关，因而由气体力产生的机械应力也称高频应力。
由气体力产生的机械应力具有以下特点：气缸盖、活塞：触火面为压应力，冷却面为拉应力。
缸套：径向：触火面为压应力最大，冷却面为零。
切向：触火面为拉应力最大，冷却面为拉应力最小。
机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。
3）惯性力：活塞组件在缸内作往复变速运动，产生往复惯性力；曲轴作回转运动产生离心惯性力。
其大小与部件质量和曲轴转速的平方成正比。
由惯性力产生机械应力也是一种高频应力。
2．热负荷1）热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。
2）热负荷的表示方法（1）热流密度（2）温度场（3）热应力3）热负荷过高对柴油机的危害：（1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；（2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙；（3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉；（4）使受热部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；（5）使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。
柴油机机体分析方法
柴油机机体分析方法现代产品的设计与制造日益朝着高效、高速、高精度、低成本、节约资源和高性能等方面发展，传统的试验、计算分析方法不能满足要求。
在柴油机的零部件中，机体的结构和受力是比较复杂的，因此柴油机的机体设计有较大难度。
机体的设计通常要经过设计、加工、分析、试验和再设计过程，存在工作效率低、生产周期长等问题。
综合利用各类分析方法、借助计算机技术可以缩短机体的分析、试验过程，为再试验提供可靠的参数支持，从而优化产品设计达到节约成本的目的。
各类分析方法探究该课题研究国内外机体的分析方法，探究最优的机体分析方法，以保证柴油机的机体在工作过程中的可靠性和耐久性，达到柴油机机体的优化设计。
下面对机体的各种分析方法进行归纳。
静力分析和构件承载能力分析在各种结构分析类型中，静力分析是最简单的形式。
静力分析主要从静力学(静力平衡条件)、几何学(位移协调条件)、物理学(胡克定理)三方面对结构进行分析，对应的力学知识主要为材料力学、结构力学、弹性力学等。
对于发动机各零部件来说，材料力学、结构力学、弹性力学的基本任务是分析各种结构物或其构件在弹性阶段的应力和位移，校核它们是否具有所需的强度和刚度，并寻求或改进它们的计算分析方法。
静力分析和构件承载能力分析主要研究机体力系的简化以及机体在力系作用下平衡的普遍规律，机体受力作用后所发生的变形，以及介绍机体内力、应力和强度、刚度、稳定性计算的基本理论和方法。
静力分析很适合于求解机体惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题。
静力分析能够分析机体稳定的惯性力(如机体重力)和能够被等效为静载荷的随时间变化的载荷作用下机体响应的问题。
动力学分析法动力学分析根据载荷形式的不同和所有求解的内容的不同我们可以将其分为：模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析。
1 模态分析20世纪60年代以快速傅里叶变换(FFT)为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，模态分析方法应运而生，并获得了广泛的应用。
船用柴油机燃烧室结构分析
燃烧室半径
d(mm)
燃烧室外半径
D (mm)
凹坑深度
H (mm)
凹坑半径
R１(mm)
G０
G１
G２
G３
G４
G５
G６
１９．
５ １２．
０ １２．
０ １４．
５ １４．
５ １４．
５ １２．
０
６８．
１ ５７．
０ ６０．
０ ６１．
０ ６３．
８ ６５．
０ ７３．
０
６５．
０ ６５．
２ ６０．
９ ６４．
１ ６６．
１．
１ 模拟所用柴油机技术参数
表 １ 所示为模拟发动机的主要技术参数.
表 １ 发动机的主要技术参数
Tab．
１ Th
ema
i
npa
r
ame
t
e
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so
ft
h
eeng
i
n
e
发动机型式
缸径 d(mm)
活塞行程s(mm)
连杆长度 L(mm)
压缩比
/mi
标定转速 n(
r
n)
喷孔直径 d０(mm)
喷油夹角(
°)
中国机械工程第 ２８ 卷第 １８ 期 ２０１７ 年 ９ 月下半月
船用柴油机燃烧室结构分析
赵昌普 孙雅坤 王耀辉 张志刚 朱亚永
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,
３０００７２
摘要:为探索不同燃烧室结构对大缸径船用柴油机燃烧和排 放 的 影 响,基 于 原 机 燃 烧 室,新 设 计 了
源 危机和环境恶化的加剧,船用柴油机的 排 放 法
规也愈加严格,于 ２０１６ 年开始在氮氧化物排放控
某活塞发动机机体组合结构模态分析
M oda l ana lysis on eng ine block com b ina tion structure of a p iston eng ine L I Zhong2jie, WANG Shu2zong, L IAN Yong2qing
代入方程 :
( K - w2M )Φ = 0,
(3)
可解得其对应的各阶振型 ;
当固有频率 w i 为特征方程 ( 2) 的单根时 ,将其 代入特征矩阵 :
B = K - w2M ,
(4)
求得该特征矩阵的伴随矩阵 :
C = K - w2i M ,
(5)
则该伴随矩阵的任一非零列向量即为固有频率 w i 所
本刊将开办“学术讨论 ”专栏 ,现广泛征集讨论主题和稿件 。欢迎从事舰船科学技术的研究 、设计人员将你们工作中遇到的 问题 、难题以及设想和希望探讨的内容 ,整理成文发给我们 ,我们将请专家审定后发布在本刊上 ,广泛开展讨论 ,并将不同见解 刊出 ,供大家参考 。来稿请注明“学术讨论专栏收 ”。
近期推荐的讨论内容是 :多体船型用于驱护舰等水面舰艇的优越性可行性 。 讨论内容背景 :目前驱护舰基本上均采用单体船型 。排水船型水阻力大是其固有缺陷 ,高速航行时 ,兴波阻力最为显著 ,小 水线面双体船和穿浪双体船极大地克服了兴波阻力 ,为排水型大中型舰船提高航速开辟了新途径 。多体船型具有横向宽度大 , 适航性好 ;甲板宽大 ;可保护重要舱室 ,生存能力较强 ;减小兴波阻力 ,有利于航速提高等优点 。但多体船型亦带来干舷高 ,侧向 受风面积大 ,操纵性较差 ;结构复杂 ;船体重量增大等缺点 。 目前 ,在国内外 ,小水线面双体船和穿浪双体船用于民船 ,取得良好效果的实例已不少 。702所设计的小水线面双体船海关监 管船 2001年已交付使用 ,性能良好 ; 1 500 t的水声试验船和 2 500 t的科学考察船已完成设计 。701所设计的穿浪双体船“海峡 ”号 已交付使用 ,性能良好 。但目前真正用于军用水面舰艇的还是单体船 ,小水线面双体船和穿浪双体船型在军用领域还只是处于科 学试验阶段 。英国已在 2000年建成三体演示舰“海神 ”号 ,并于 2003年提出快速灵活五体护卫舰探索方案 。1983年由澳大利亚与 美国合作建成高速穿浪型运输舰 HSV 2X1 (穿浪双体船 ) ,排水量 815 t,航速 42节 ,设有直升机平台 。《200022035年美国海军技术 》 提出 ,穿浪船型和小水线面双体船的发展和应用 ,是水面舰艇船型的重大改进 。 驱护舰等水面舰艇采用多体船型是新生事物 ,要使其真正适合作战使用 ,还需要解决有关舰船总体性能 ,布置 、结构 、施工工艺 、 操作使用等方面的一系列问题 。为此 ,我们期待着舰船研究 、设计 、制造 、使用部门的科技人员能对多体船型用于驱护舰等水面舰艇 在性能 、布置 、结构 、施工工艺 、操作使用等方面的优越性和可行性进行探讨 ;也期待着科技人员能介绍小水线面双体船和穿浪双体 船用于民船已取得的设计 、建造 、使用经验 ,为我国驱护舰等水面舰艇采用新船型奠定理论基础 。 [ 07001 ]
船用柴油机燃烧室结构分析
船用柴油机燃烧室结构分析赵昌普;孙雅坤;王耀辉;张志刚;朱亚永【摘要】为探索不同燃烧室结构对大缸径船用柴油机燃烧和排放的影响,基于原机燃烧室,新设计了6种不同形状的燃烧室,采用AVL Fire软件建立燃烧室仿真模型,并结合涡流数和均匀系数来对缸内流动、混合和燃烧过程进行数值模拟分析.结果表明:燃烧室直径和凹坑深度等参数会对缸内流动产生很大影响,凹坑深度较大的缩口燃烧室能产生较强的涡流从而改善燃烧,而浅坑的开口燃烧室的缸内燃烧状况较差.同时发现,只有在缸内涡流和湍动能都较大的情况下才能使燃烧更充分.从发动机性能和排放结果来看,缩口燃烧室G1的功率输出增加4.6%,排放与原机基本持平;直口燃烧室G4在略低于原机的功率输出下,NOx排放降低43.3%;开口燃烧室的做功能力较差.%In order to investigate the effects of piston bowl geometry on the performances and e-missions for large-bore marine diesel engines,six novel combustion chambers were designed based on the combustion chamber of the prototype,and combustion chamber simulation modeling was estab-lished by using AVL five code to simulate the in-cylinder flows,air-fuel mixing and combustion processes with the flow dynamics metrics such as swirl number and uniformity index.Results show that chamber diameter and bowl depth have a great influence on in-cylinder flows.The deeper depth of the re-entrant bowl may result in enhancement of swirl motions and improve the combustions,while a deficient combustion occurs at the lower depth open chamber.Further,high turbulent kinetic energy with a large swirl is important to improve the quality of combustions.It is also found that power out-put of re-entrantchamber G1 is increased by 4.6% and emission is almost the same as the prototype's. NOx emission of straight chamber G4 is decreased by 43.3% at a slightly lower power output than that of the prototype.And open chamber is found to have lower engine-out power.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2017(028)018【总页数】7页(P2176-2182)【关键词】柴油机;燃烧室形状;涡流数;均匀因子;排放【作者】赵昌普;孙雅坤;王耀辉;张志刚;朱亚永【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TK421.2柴油机具有较好的经济性、耐久性和可靠性，被广泛应用于船舶动力系统中。
基于机体与曲轴耦合下的船舶柴油机主轴承热弹性流体动力混合润滑特性_魏立队
鉴于机体和曲轴有限元模型自由度数量的庞 大，运动方程的求解效率非常低，须对模型自由度 数量缩减。 [10] 根据 Craig-Bampton 模态综合法 ， 机体物理 坐标与模态坐标间转换关系如下
xb X b i xb b 0 xr
b b T b b b I xr xr
Thermo-elasto-hydrodynamic Mixed Lubrication of Main Bearings of Marine Diesel Engines, Based on Coupling between Flexible Engine Block and Crankshaft
1 y dy 0 η y 1 1 y y dy dy dy (10) α 2 = h3 ρ 1 0 0 η 1 0 η dy 0 η y 1 0 η dy dy 1 1 1 0 η dy
大型船用主柴油机径向滑动主轴承的工作好 坏，将直接影响到曲轴的可靠性和寿命，进而影响 到整个柴油机、甚至整个船舶的安全和寿命。尤其
* 国家高技术研究发展计划(863 计划，2013AA040203)和国家自然科学 基金(50975035)资助项目。20130813 收到初稿，20140312 收到修改稿
1
h(u J uS )
y
0
(Hale Waihona Puke 1)式(5)代入式(4)则得到曲轴缩减运动方程
c c c a a Mc q Cc q K c qa Qc
机体与曲轴耦合后为
h dy
0
(12)
月 2014 年 7 月
YC485Q柴油机缸盖参数化建模及模态与响应分析研究的开题报告
YC485Q柴油机缸盖参数化建模及模态与响应分析研究的开题报告一、选题背景及意义YC485Q型柴油机是我国一款常见的中速柴油机，广泛应用于工程机械、船舶、电站等领域。
其缸体和缸盖作为进、排气的主要通道，承受着极大的工作压力和热载荷。
为了确保柴油机的正常运行和生产安全，必须在一定范围内对其缸盖进行设计和分析。
目前，YC485Q柴油机的缸盖设计仍然存在一些瓶颈和不足之处。
例如，缸盖结构的复杂性、强度分析的不足以及振动和噪音等问题都亟待解决。
因此，本研究将利用参数化建模技术，对YC485Q柴油机的缸盖进行结构设计和模态分析，为优化缸盖设计提供理论和实践支持。
二、研究内容及方法（一）研究内容1. 利用CATIA软件对YC485Q柴油机缸体和缸盖进行几何建模；2. 基于有限元原理，建立YC485Q柴油机缸盖的强度模型和模态分析模型；3. 运用ANSYS软件对缸盖的强度和刚度等关键参数进行分析；4. 利用模态分析方法对缸盖的固有频率、振型、响应等特性进行分析。
（二）研究方法1. 构建YC485Q柴油机缸盖的参数化模型，实现形状和尺寸参数化；2. 对缸盖进行有限元离散化处理，建立强度模型和模态分析模型；3. 运用ANSYS软件进行缸盖的静态强度分析和动态模态分析，得出缸盖的最大应力、变形、位移、固有频率和振型等参数；4. 对缸盖的不同结构方案进行比较分析，寻求最优的设计方案。
三、预期研究成果1. YC485Q柴油机缸盖的参数化模型，实现了形状和尺寸参数化；2. 建立了YC485Q柴油机缸盖的有限元模型，并进行了强度和模态分析；3. 计算了YC485Q柴油机缸盖的最大应力、变形、位移、固有频率和振型等参数；4. 分析了不同的缸盖结构方案，选取了最优的设计方案；5. 为YC485Q柴油机缸盖的优化设计提供理论和实践支持。
多缸柴油机机体结构有限元模态分析
舀 ｅｂ ｋ ａ ｎ ｌ ．Ｂ ｓ ｏ ｅｄ，＇ｃａａ ｓ ｆ ｅｆ ｃｄｖ ｒｔｎｏ ｅｂ ｋ ｈ ｘ ｎ ｄｌ ｅ ｏ ｃ ｏ ｎｔ ｙ ｎ ｌ ｉ ｏ ｒ ｉ ａ ｏ ｆ ｌ ，ｔ ｅｔ ｔ ｖｌ ｆ ｈ ￣ｉ ｎ ｙ ｓ ｔ ｏ ｅ ｂ ｉ ｈ ｈ ｔ ｃ ｏ ｅ ｅ ａ ｅ ｎ
节 点上建 立离散 化 的 侧 压力 曲线 ， 同时 在 相应 位 置 施加离 散化 的缸盖压 力及 主轴 承力 。 此外 ， 内燃机 动力 学 的研究 工 作 大都 没 有 考虑 到缸套 外壁 面振动 加速度 对穴 蚀 的影响 。缸套 外壁 的振动 加速度与 缸 套 的 穴蚀 有 着 密 切 的联 系 ， 降低 气缸套 的振 动是解决 穴蚀 的根 本措 施之 一 ［。 ６ 】 本文 比较性 的考察 四点支 承 和六点 支 承下机 体
ｗｈｃ Ｓａｓ ｃａｅ ｔ ａ ｉ ｔ ｎ ｅｏ ｉｎ．Ｒｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｈｓｍｅ ｏ Ｓａ ｖｓ ｂ ｅｔ ｅ ｕ ｅ ｎ ｅ — ｉｈ ｉ ｓｏ ｉｔｄ ｗｉ ｃ ｖｔｉ ｒｓｏ ｈ ａ ｏ ｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ａ ，ｔ ｉ ｔ ｄ ｉ ｄ ｉ ｌ ｏ ｂ ｓ ｄ ｉ ｎ ｓ ｈ ａ
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Ｗ ｅ ｉ ｉｒ ｔ ｏ，Ｌ ｕ Ｔ ｏ，Ｓ ｉ ｕ ｏ ｇ ｉ ａ ｈ ｙ ｎ ，Ｌ ｏ ｉｎ Ｘｉ ｉＧｕ ｘａ ｇ，Ｈｕ Ｙ ｐ ｎ ｕ ｉｇ
引言
柴油机 的振 动及其 所辐射 的噪声与其 结构 的动 态特性 密切 相关 ， 构 的动 态 特 性不 仅 影 响 内燃 机 结
船舶柴油机教材_第二章 结构
第二章柴油机的结构及主要部件柴油机的主要部件是指燃烧室部件(活塞、气缸、气缸盖)、曲柄连杆机构(十字头、连杆、曲轴和轴承)、机架、机座和贯穿螺栓等部件。
这些部件构成柴油机的主体，它们工作得好坏不但直接影响柴油机的技术性能指标，而且还和安全航行密切相关。
统计表明，船用柴油机主要部件发生的故障占柴油机故障总数的90%左右，其中燃烧室部件故障约占故障总数的50%。
因此，轮机管理人员应该深入了解主要部件，这是降低柴油机故障发生率的重要一环。
第一节柴油机的总体结构一．柴油机的基本组成船舶柴油机的结构比较复杂，它是由许多机构和系统组成。
尽管各种柴油机的结构、型号各异，但从工作原理和总体结构上则有很多共同之处。
柴油机主要由以下机构和系统组成1．主要固定件柴油机的主要固定件由机座、机架、气缸和气缸盖等组成，对于中小型柴油机常将气缸体和机架做成一体称为机体，并省去机座代之以轻便的油底壳。
它们构成了柴油机的骨架，支撑运动件和辅助系统。
2．主要运动件柴油机的主要运动件由活塞、连杆组件及曲轴组成，对于大型低速柴油机还有十字头组件。
活塞与气缸及气缸盖构成燃烧室，保证柴油机工作过程的进行，同时通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的回转运动，使燃气推动活塞的动力通过曲轴以回转的方式向外输出。
3．配气机构及换气系统配气机构由进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴及凸轮轴传动机构组成。
进排气系统由空气滤器、进排气管和消音器组成，对于增压柴油机还有增压器及空冷器。
它们的作用是按照工作循环的需要，定时地向气缸内供应充足、清洁的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸。
4．燃油系统燃油系统由燃油供给系统和燃油喷射系统组成。
燃油供给系统是把符合使用要求的燃油畅通无阻地输送到喷油泵入口端。
该系统通常由加装和测量、贮存、驳运、净化处理、供给五个基本环节组成。
燃油喷射系统由喷油泵、喷油器和高压油管组成，其作用是定时、定量地向燃烧室内喷入雾化良好燃油，保证燃烧过程的进行。
柴油机结构结构分析与主要部件
4.连杆螺栓
1）工作条件：（1）二冲程机连杆螺栓工作中只 受预紧拉力作用；（2）四冲程机连杆螺栓工 作中受预紧拉力、惯性拉力（换气上止点附近 受力）、附加弯矩
2）断裂多发生于四冲程高速机，且多发于螺纹 部分，轮机员应特别重视
3）改善措施：用韧性好、强度高的优质碳钢或 合金钢制造；采用柔性结构提高抗疲劳强度 （增加长度，减小杆部直径，采用细螺纹；大 圆角过渡减小应力集中；螺栓与支撑面垂直减 小附加弯曲应力）
图2.2-51 RTA柴油机连杆
1-小端轴承盖；2--小端轴承座；3-小端轴承螺栓；4-杆身；5-大 端轴承螺栓；6-垫片；7-大端轴承座；8-大端轴承盖；
四、十字头式柴油机连杆和连杆轴承的结构特点
十字头式柴油机连杆也是由小端、杆身和 大端三部分组成。连杆杆身中部设有油孔，用 来将滑油从连杆小端轴承送至大端轴承润滑。 对应于不同类形的十字头，连杆小端也有两种 结构，一种是分岔式连杆小端（已淘汰），另 一种是全支撑式连杆小端（多用）。根据杆身 与大端轴承座是否分开分为车用大端和船用大 端 。车用大端结构简单、紧凑，目前在大型 船用低速柴油机中得到了广泛的应用
PN
PT
H
P
ML
β
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PT FR
PN＇ T〃
T＇ N
PT＇ P＇
F
F
b
二、连杆的要求和材料
1.要求：耐疲劳、抗冲击，具有足够刚度 和强度；长度短、重量轻、便于拆装， 工作可靠，寿命长，杆身表面不能有细 小裂纹
2.材料：大型低速机多用中碳钢；中高速 强载机用优质碳钢或合金钢，圆形断面 或工字形断面（减轻重量，增大抗弯能 力，材料利用充分，多用）
d连杆工字形断面
e阶梯形切口是斜切口的一种变形，可以在满足 连杆的拆装的前提下使曲柄销轴承更粗，以减 小轴承负荷和保证曲轴的刚度
4DW93-84E3柴油机机体组合件结构有限元分析中期报告
4DW93-84E3柴油机机体组合件结构有限元分析中
期报告
本次结构有限元分析旨在对4DW93-84E3柴油机机体组合件进行静态力学分析和模态分析，通过有限元方法对该结构的应力、变形和固有频率等进行分析和评估，为优化设计提供依据。
本次分析中所使用的软件为ANSYS Workbench，整体流程分为以下几个步骤：
1.建立模型
首先对4DW93-84E3柴油机机体组合件进行建模。
根据实际图纸，采用Solidworks进行三维建模，包括机体、支撑、附件等部件，并导出STEP文件。
2.构建有限元模型
将导出的STEP文件导入到ANSYS中，进行网格划分，采用三角形单元进行划分，并对模型进行了四个相邻面自动匹配、指定材料属性、加载约束及荷载等处理，构建有限元模型。
3.静力学分析
在静力学分析中，将模型施加在其固定底部的支撑面处作用于输入载荷，在Load步骤中将这些边界条件加入模型中，并对模型进行了求解和后处理。
4.模态分析
在模态分析中，通过计算机对结构在零初始条件下的振动特性进行分析，计算结构的固有频率和振型，并对模型进行了求解和后处理。
5.结果分析
将求解结果在分析报告中进行展示，并通过分析结果评估了
4DW93-84E3柴油机机体组合件结构的强度、稳定性和刚度等关键性能指标，为优化设计提供了参考。
本次中期报告已完成了建模、网格划分、约束荷载、静力学分析和模态分析等步骤，下一步将完成结果分析和报告撰写。
按柴油机系统功能与形态学矩阵并且进行方案分析
按柴油机系统功能与形态学矩阵并且进行方案分析
结构系统的动态特性分析是结构动力学领域里的一个重要研究方面。
对12缸V型水冷式车船用柴油机主要结构零部件及其组合结构的动态特性分析和实验验证进行了系统研究，得出了理论计算和实验结果相符的结论。
这为柴油机下一步的动力响应分析、整机的动态特性分析和结构的优化设计奠定了理论和实验基础，也为柴油机实际结构的改进提供了一条途径。
结构动态特性分析要求对结构系统进行较为准确的数学描述，目前工程中主要利用有限元技术来建立理论计算模型。
这种方法采用了离散化的思想：将连续系统离散为一个节点上互相关联的离散结构。
但是由于对结构物理、几何特性的假设和对结构约束及连接状态等的简化，使得理论计算模型在模型结构和模型阶次以及模型参数等三个主要方面存在误差，其计算结果的精度是否可靠，这需要实验验证。
柴油机是由许多复杂结构形状的零部件组成的系统，欲研究其整机性能，需要分析装配部件的动态特性。
本文基于模态综合理论，分析了柴油机机体、曲轴和气缸盖构成的组合结构特点，利用动态子结构技术，推导出了三子结构的计算公式，并据此建立起了组合结构的有限元模型，计算和分析了组合结构的自由模态。
初步研究了组合结构接合面的接触处理方法。
柴油机整体有限元模态分析
实现了制造系统的整体改进，提高了企业的市场竞争力。
［参考文献］［1］Lefran 觭ois P ，Harvey S ，Montreuil1B ，Moussa B.Modelling andsimulation of fabrication and assembly plants:anobject-drivenapproach ［J ］.Journal of Intelligent Manufacturing ，1996（12）：467－478.［2］RotabKhan M R ，Harlock S C ，Leaf G A puter simulationof production systems for woven fabric manufacture ［J ］.Computers &Industrial Engineering ，1999（12）：745-756.［3］王国新，宁汝新，王爱民，等.仿真优化在制造系统中的应用现状及发展趋势［J ］.系统仿真学报，2008（1）：1-6.［4］张楚贤，李世其，蔡冽.现代工程系统建模与仿真方法［J ］.系统工程，2007（2）：111-115.［5］孙小明.生产系统建模与仿真［M ］.上海:上海交通大学出版社，2006.（编辑明涛）作者简介：尹丹（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向为工业工程、生产计划与控制、成本管理。
收稿日期：2009-05-06柴油机整体有限元模态分析刘金玲，金涛，马宇山（浙江大学化工机械研究所，杭州310027）1前言柴油机已广泛应用于车辆、舰船、坦克等等设备中，其性能直接影响车船运行的可靠性。
目前，柴油机向着大功率、轻重量的方向发展，使得其刚度不断减小，从而加剧了部件的振动和结构噪声，直接影响柴油机的寿命。
模态分析技术是现代机械产品结构动态设计和分析的基础，是近年来迅速发展起来的分析系统结构动态特性的强有力工具。
大功率柴油机复杂组合结构的有限元模态分析
（ ｐ ． ｏ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌａ ｄ Ｅｌ ｃ ｒ ｎ ｃ Ｅｎｇ ｎｅ ｒｎ ，Ｎｏ ｔ Ｄｅ ｔ ｆＭ ｃ ａ ｉａ ｎ ｅ ｔ ｏ ｉ ｉ ｅ ｉｇ ｒ ｈ Ｃｈｉ ｎｓ ｉｕｔ ｃ ｏ ｏ ｎａ Ｉ ｔｔ ｅ ｏｆＴｅ ｈｎ ｌ ｇｙ．
Ｔ ａ ｙ ａ ３ ０ ） ｉｕ ｎ ０ ０ ５ １
ｔｕｒｅ．
摘要
本 文 应 用 动 态 子 结 构 法 建 立 了某 走 功 率 柴 油 札 机 体 ＋ 曲 轴 十 缸 盖 蛆 合 结 构 的 有 限
元模 型 ． 用虚拟材料 来模 拟其 结台 面 的动态性 能 ， 并 通过 基 于试 验 对 比 的有 限 元模 态 分析 ． 说
嘿 所 建机 体 ＋ 曲 轴 ＋ 缸 盖 组 合 结 构 的 有 限 无 模 型 正 确 ， 其 下 一 步 的 动 力 响 应 及 组 合 结 构 的 为
１ 概 述
学 建 模 及 其 参 数 识 别 方 法 也 有 相 应 的研 究 ；
在 当今 的 动 态设 计 领 域 中 ， 于 大 型 复 杂 结 对
构， 无论是在 有 限元 的 理论 建 模 ， 是 在 动 态分 析 还
与 设 计 时 ， 常应 用 动 态 子 结 构 方 法 来 处 理 。 然 而 通
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第 ２ ３卷 （ ０ ２ 第 １ ２０） 期
内
燃
机
工 程
Байду номын сангаас
Ｎ ｅｒ ｎ ｉＧｏｎ ｃ ｎ ｉａ ｆ ￣ ｈｅ ｇ
文 章编 号 ：００ ０２（０２ ｏ －０６ ０ １０ － ￣５２０） １ １－ ３
２０ ５ ３ ００
大 功 率柴 油 机 复 杂 组合 结构 的有 限元 模 态 分析
某柴油机机体模态测试及分析
试 验条 件所 限 ，不 可能 布置许 多测 点 ，考虑 到机体 结
构 的特点 和模 态识 别精 度的需 要 ，在试 验 中将 所有 节 点作 为测 点 ，对 每 个测 点 分别 给予 ｚ和 Ｙ方 向激励 ，
这样 做既 可使整 个实 验操 作简 单可行 ，又综合考 虑 了
其 动态特 性 ，不 至 于丢失模 态 。
意 两个 点 之 间都 有 相对位 移 ，具有无 穷 自由度 。在模 态试验 中将 连续 弹 性体 简化为 由许多 节点所 组成 。根
据结构 特点 ， 某些 相邻 的两个 点之 间在几何 上有 联 系 ，
收稿 日期 ；２ ０— ８０ ０ ６０ —２；修 回 日期 ，２ ０ 一Ｏｌ ０ ６ ｌ—８
模 态是 系统 的某 一本 质 的振 动形态 ，在 这种 振动 形 态下 ，系统 表 现 出单 自由度系统 的运 动特征 。模 态 分 析技 术是建 立在 实验 基础 上 ，采 用实 验与模 拟计算 相 结合 的方法 ，通 过相 应 的计 算软 件来 很好地解 决工 程 中实 际问题 的一 种现 代分 析技术 。试 验模态 分析 的 基本 理论 就是 ：把 复杂 的多 自由度 系统分 解为若 干个 子 系统 ，先 求 出各个 子 系统 的若干低 阶模态 ，再 根据 相邻 系统 的位移 协调 关 系或力 的平衡关 系把 各个 子 系 统 组装 成整 体运 动微 分方程 组 ，导 出减 缩 自由度 的综 合特 征值 问题 。通过 对实 际结构 的振 动测试 ，对 机械 施加激 振力 ，测量 响 应 ，得 到识 别振动 系统 的模态 参
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２ ０ 年 第 ２期 ０７
宫 文 龙 ，等 ：某 柴 油 机 机 体 模 态测 试 及 分析
・１ ３・ １
基于接触非线性的柴油机组合结构模态分析
基于接触非线性的柴油机组合结构模态分析
李海生 , 张 翼
(中北大学 ,太原 030051)
摘要 :应用 AD INA 软件对某柴油机组合结构的接触部位进行了非线性处理 ,并结合有限元方法对其进行了有限元与试验模态 分析 ,计算出了组合结构的基本振型和固有频率 。通过比较验证了该有限元计算模型的正确性 ,为下一步的动态响应分析提供了 依据 。
图 6 测试系统组成图 F ig. 6 Te s t S ys tem D ia g ram
仪器名称
表 1 试验仪器表 Ta b. 1 Te s t App a ra tu s
型 号
计算机 CRA S振动分析系统 接口箱 电荷放大器 压电加速度传感器 力 锤
PⅣ V4. 1 QL001 3109A 6154 5204
Ke y wo rd s: Contact; Nonlinear; Composite structures; Modal analysis
随着柴油机的设计向着高速化 、紧凑化 、轻量化的方向发展和柴
油机产品的机械负荷不断增加 , 部件磨损日益加重 , 随之而来出现 了曲轴弯曲扭转振动和变形加剧 、机体刚度不足 、局部动应力过大等
问题 , 致使柴油机在其工作范围内出现了某些主谐次的强烈共振 、 机体侧壁振动增强 、缸体变形过大 、部件局部疲劳断裂等问题 。对柴
船用柴油机示功图分析!
2）示功图太长
3）示功器小活塞卡紧
4.气缸内工作过程不正常引起的畸形示功图 1）燃烧太早
2）燃烧太晚
3）喷油器喷孔部分堵塞
4）气缸内空气量不足
5）扫气过程不正常
3.电子示功装置的标定 静态标定 压力值标定 动态标定 随机标定 上止点标记 曲轴转角（时间坐标）标定 曲轴转角标记
若上止点有1℃A误差，则示功图计算有±5.5 ％的误差，因而要求上止点标记误差满足0.2℃A～ 0.5℃A的要求。
4．电子示功装置的优缺点及适用范围
突出优点是固有频率高，即具有良好的高频特性
示功图的分析和计算
一、示功图的分析 1．正常示功图的特征 （1）工作过程曲线比较圆滑，曲线过渡处无锐角 或突变形状。 （2）工作过程各主要特性点的数值如最高爆发压 力pz 、压缩压力pc 等应符合说明书或试航报告的规 定。 （3）工作过程曲线无异常波动现象。 （4）示功图尾部形状应符合不同扫气形式的正常 轨迹。
(mm / MPa)
3．示功器传动机构 传动机构应满足以下两个基本要求： （1）柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周 长相适应，且略小于转筒周长。 （2）转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运 动相对应，以便正确反映柴油机活塞运动规律。
曲柄式传动机构 凸轮式传动机构 杠杆式传动机构
A
A
r /l = R/L
适用于低、中、高速柴油机
灵敏度高，线性好，但它易受外界干扰影响， 需设补偿装置
三、示功图的种类和用途
1. p-V 示功图 尾部不同
计算柴油机的功率，调整各缸负荷的均匀性，量 取最高爆发压力和判断各缸燃烧情况以及计算缸内瞬 时温度等。
2．p-V转角示功图
分析燃烧过程的进行情况，不能作为计算功率的依据
柴油机机体有限元模态分析
・ &) ・
河 南 科 技 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ）
)**% 年
在建立的三维几何实体模型上划分有限元网格之前， 先确定机体的材料， !"#$%&’ 柴油机机体采用 有关特性见表 $。 (")&* 铸造，
表! 密度（ + ,+-.% ） 6 7 )& 8 6 7 %& 比热容（ ・0 ） + /+, * 7 & 8 * 7 &# "#$!%&’ 柴油机机体材料特性参数 弹性模量 +123 $*9 8 $)6 线胀系数 + 0 （$$ 7 & 8 $) 7 *） : $*; 泊松比 * 7 )& 热导率（ ・ + 4+. 5） #9 8 &)
［<］ 边界条件的确定方法大体上可分为解析法、 试验法和试算法 。本文所加的边界条件是经过多次试
算确定下来的用以模拟机体安装时紧固螺栓， 约束机体裙部的四个小面的 ! 、 "、 # 方向移动自由度和 ! 、 " 方向的转动自由度。 !($ 模态分析计算方法的选取
［ ］ 工程分析中模态分析的计算方法主要有 =3>-?@A 算法、 1BC3> 缩算法和逆迭代法 $* 。
根据该机体的结构特点， 本文从机体前端到后端分为 $* 大块 来划分网格。划分网格采用手动局部加密和自动划分网格相结 合的办法来进行， 对五个主轴承座与火力面进行局部加密。选用 该单元具有适应性强、 计算精度高的 9 节点的四面体等参元单元， 优点。总共生成节点 #&$%9 个、 单元 6#6%6 个， 生成的有限元模型 如图 $ 所示。 !(% 机体边界条件 边界条件属于解的唯一性条件， 对它的模拟合理与否直接影
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Ｍ ｏ ａ ａｙ ｉ ｅｈ ｄ ｏ ｍｂ ｎ ｔ ｎ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅｆ ｒ ｄｌ Ａｎ ｌ ｓｓＭ ｔ ｏ ｆ Ｃｏ ｉ ａ ｉ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｏ Ｍ ａ ｉ ｅＤｉ ｓ ｌ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｅ ｇ ｎ Ｅ
ＷＥ ｉ ｕ ＤＵ ＩＬ － ｉ ｄ ＡＮ ｈ －ｎ， Ｓ ｕｌ ＷＵ Ｊ ， Ｕ （ － ｉ ｉ ￣１ ｉ
ｃ ｍｂ ｎ ｔｏ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｉ ａｉ ｎ ｓｒ ｃｕ ｅ
随着船 用低 速 二冲程 柴 油机 向长 行程 和超 长行 程 方 向的 发展 ， 油 机 的振动 变 得 越 来越 明显 。振 柴 动产 生撞 击和 变形 ， 响柴 油机 的可 靠性 和耐 久性 ； 影
导致船 员工作 环境 恶化 ， 响其 身体 健康 ； 影 引起 船 体 振 动 ， 害 船 舶 安 全 。为 此 ， 危 各船 级社 均 有 相 应 规 范 。但 是 机 体 组合 结 构 振动 特 性 的研 究 却 很 少 ， 所 见资 料 多为 国外 的 ＭＡ Ｎ和 Ｗｆｔ ｌ等 公司 的项 目文 ｉ ｓｆ ｒｉ ｉ 件 ｎ 。在 小型 柴 油机 方面 ， ， 多人应 用 动态 子 结构 法
Ｋｅ ｒ ｓ： ｉｒｔ ｎａ ｄｗａ ｅ； ｒ ｅｄｅ ｅ ｎ ｉｅ； ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ； ｄ ｌ ｎ ｌｓｓ； ｎｔ ｌｍｅ ｔ ｔｏ ｙｗｏｄ ｖｂ ａｉ ｎ ｖ ｍａ ｎ ｉｓ ｌ ｇｎ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｍｕａｉ ｏ ｉ ｅ ｉ ｓ ｏ ｍｏ ａ ａｙ ｉ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ｈ ｄ； ａ ｉ ｅ ｍｅ
动态 性 能 相 同 的 吉村 允 孝 法 。但 是 ， 些均 需进 这
行 试 验 的方 法 对 于大 型 船 用柴 油 机 目前 无 法 实 施 。
摘 要： 利用数值试验方法 验证包括柴油机机 座、 架、 机 气缸 体、 扫气箱 、 空冷 器等有限元模型简化 的合理性 。通
过螺栓连接板件 的模态试验验证有 限元法模态分 析中螺栓 连接 处理方法韵 可靠性 。在此基础上建立包括 以上各部件 的某大型船用 ６ 缸柴油机机 体组合结构有 限元模 型。通 过对整体 结构模态分析 ， 找出整机刚度局部薄弱部位和整体 固 有振型 。为大型船用柴油机设计人员在 设计 阶段 ， 预报和预防整体结构振动提供一较为简便 的方法 。
ｆ ｕ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｍｏ ａ ｎ ｌ ｓｓ Ａ ｍｐ ｅａ ｐ ｏ ｃ ｒ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎａ ｄｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｏ ｇｎ ｔ ｃｕ ｅ Ｓｖｂ ａ ｉ ｎｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｏ ｎ ｏ ｇ ｄ ｌ ａ ｙ ｉ． ｓ ｈ ａ ｉ ｌ ｐ ｒ ａ ｈ ｆ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｕ ｔ ｆ ｎ ｉ ｅｓｒ ｔ ｒ ’ ｉ ｒ ｔ ｓ ｏ ｏ ｅ ． ｏｐ ｏ ｏ ｅ ｕ ｏ ｐ
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２ １ 年 ４月 ０２
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声
与
振
动
控
制
第２ 期
文 章编 号 ： ０ ６１ ５ （０ ２０ —１ ２０ １ ０ —３ ５２ １）２０ ３ —５
船 用 柴 油机 机 体 组 合 结 构 模 态 分 析 方法
魏立队，段树林，吴 假，武起立，于洪亮
（ 大连海事大学 轮机 工程 学院，辽宁 大连 １６２ １０６）
Ａｂ ｔ ｃ Ｔ ｅ ｓ ｓｒ ｔ： ｈ ｉ ｌ ｅ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔ ａ ｍｐ ｉ ｄ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ｄ ｌ ｆ ａ ｅ ｆａ ， ｙ ｉ ｄ ｒ Ｓ ｏ ｙ ｓ ａ ｅ ｇ ｏ ， ｎ ｉ ｏ ｌｒｏ ｉｓ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｍｏ ｅ ｓｏ ｂ ｓ ， ｍｅ ｃ ｌ ｅ ’ ｄ ， ｃ ｖ ｎ ｅｂ ｘ ａ ｄ ａｒｃ ｏ ｅ ｆａｄ ｅ ｅ ｌ ｎ ｂ ｅ ｇ ｎ ｒ ｓａ ｌ ｈ ｄ ａ ｄ ｖ ｌ ａｅ ｙ ｎ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ｅ ｙ Ｔ ｅ ｔ ｎ ｔ ｏ ｆｂ ｌ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｉ ｈ ｎ ｉ ｅ ｗｅ ｅ ｅ ｔｂ ｉ ｅ ｎ ａ ｉ ｔ ｄ ｂ ｕ ｒ ｌ ｓ ｓ ｄ ｃ ｍｕ ａ ｉ ｅ ｐ ｃｉ ｌ ． ｒ ａｍｅ ｔ ｍｅｈ ｄ ｏ ｏ ｔ ｏ ｎ ｃｉ ｎ ｔ ｅ ｏ ｖ — ｏ
关键词 ： 振动与波 ： 用柴 油机 ； 船 数值试验 ； 模态分析 ； 限元法 ； 有 组合结构 中图分类号 ： ６ ． Ｕ６ １ ４ ４ 文献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｉ Ｏ 编码 ：０ ９ ９ ．ｓ．０ ６１５ —０ ２０ ． ２ １３ ６ ／ｉ ｎ１０ ．３ ５２ １．２ ３ ｊｓ ０
ｍｏ ｅ ｆｔ ｅｃ ｍｂ ｎ ｔ ｎ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ６ ｃ ｌ ｄ ｒｄ ｅ ｅ ｎ ｉ ｅｗａ ｕ ｌ． ｅ ｋ ｐ ｒｓａ ｄ ｔ ｅｍ ｏ ａ ｓｏ ｏ ｅｅ ｇ ｎ ｒ ｄ ｌ ｏ ｉ ａ ｉ ｔ ｔ ｒ ｆａ － ｙ ｉ ｅ ｉ ｓ ｌ ｇｎ ｓｂ ｉ Ｗ ａ ａ ｔ ｎ ｄபைடு நூலகம்ｌ ｆｗｈ ｌ ｎ ｉ ｅ ｗｅ ｅ ｏ ｈ ｏ ｕ ｎ ｅ ｔ ｈ
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