发动机汽缸体模态分析方法
发动机机体自由模态分析及试验验证
所分析的柴油机机体是一个铸造的箱体结构 ，
它 的结构 形状 和所 承 受 的载荷极 为 复杂 ，给 机体 的 有 限元建 模带 来 了很 大 的困难 。该机 体结 构 上分 布 有各 种加 强筋 、 凸台 、 承孔 、 套 和油道 孔 ， 轴 水 内有气 缸套 和各 种纵 、 隔板 ， 横 在建 立 机体有 限 元分 析模 型 时 ，不可 能全 部考 虑 这些 复杂 的 因素 ，只能 考 虑一 些起 主导 作用 的 因素来 建 立机 体 的计 算模 型 。本 次 分 析 时在 Ｐ Ｏ Ｅ 中进 行 详 细 三 维 建模 ，然 后 用 前 Ｒ ／ 处 理软件 ｈ ｐ ｒ ｓ ｙ ｅｍｅｈ对模 型进 行 网格划 分 。
（ 海柴 油机股份 有 限公 司 ，上 海 ２０３ 上 ０４８）
摘要 利 用 Ｐｏ Ｅ软 件 对 ６缸 柴油机 机 体 建 立 三 维模 型 ，然后 再 用 Ａ ａｕ 对机 体 进 行 自由 ｒ／ ｂｑｓ
模 态 的分析 ，得 出了前 ２ 固有频 率和 振 型 。通 过 试 验 手段 对机 体 的 自由模 态进 行 了测 量 。 最 ２阶
终将 Ｆ Ａ 结果和 试验 结 果对 比表 明 ，两者具 有较 好 的吻合 性 。 Ｅ
Ａｂ ｔ ｃ ： Ｔ ｅ ３ ｍ ｏ ｅ ｆ ａ ｎ— ｉ ｅ ｓｘ— ｙ ｉ ｄ ｒ ｄ ｅ ｅ ｎ ｉ ｅ ｂ ｏ ｋ ｗａ ｓ ａ ｌ ｈ ｄ ｓ ｒ ｔ ｈ Ｄ ａ ｄ ｌｏ ｎ ｉ ｌ ｉ ｃ ｌ ｅ ｉ ｓ ｌ ｅ ｇ ｎ ｌ ｃ ｓ ｅ ｔ ｂ ｉ ｅ ｎ ｎ ｓ
ｓ ｏ ｅ ｒ ｓ ｌ ｆＦ ｈ ｗｓ ｔ ｅ ｕ ｔ ｏ ＥＡ ｓ ｉ ａ ｏ ｒ ｎ ｇ ｏ ｇ ｅ ｍ ｅ ｔｗ ｔ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔｎ ． ｈ ｓ ｅｔ ｍ ｔ ｎ ａ ｅ ｉ ｏ ｄ ａ ｒ ｅ ｎ ｈ ｔ ｓ ｆｔ ｓ ｉ ｇ ｉ ｉ ｈ
内燃机机体有限元模态分析
内燃机机体有限元模态分析杜发荣，姬芬竹，刘德海（河南科技大学，河南洛阳４７１０３９）关键词：内燃机；机体振动；模态分析；有限元法摘 要：以某卧式单缸柴油机为例，利用美国ＳＤＲＣ公司的Ｉ－Ｄｅａｓ软件的模态分析功能，在建立底部被约束的机体三维实体模型的基础上，对机体结构进行了约束模态的有限元分析。
得到了机体结构的前１０阶固有频率及相应振型，从中可看出机体各部分振动的大小，据此对机体结构提出了一些合理改进建议。
中图分类号：ＴＫ４２３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－４３５７（２００３）０３－００４０－０３结构与减磨《柴油机・Diesel Engine 》2003年第3期－４０－１ 引 言 从噪声和振动的角度来看，内燃机是一个高度复杂的振动系统。
内燃机机体是发动机所有部件的安装基体，其振型对发动机性能影响尤为显著。
在一定激励力作用下，结构表面振动速度的大小及分布规律，主要取决于结构本身的振动特性及阻尼大小。
另一方面，机械噪声是通过结构振动引起的空气振动而向外辐射的，发动机本体辐射出的噪声，大部分都是由发动机外表面振动产生的。
机体的表面积大，而且受到气缸内燃烧压力和惯性力的直接激励，所以抑制机体壁的振动对于降低发动机的噪声极为有效［１］。
利用现代设计理论和方法，在产品设计阶段对内燃机机体进行模态分析，以达到控制内燃机机体的振动、降低噪声已成为内燃机理论的一个重要发展方向。
从２０世纪８０年代起至今，为了达到使内燃机减振、降噪、轻量化和高效率的目的，国内外许多研究人员在内燃机机体动力学分析与研究方面已经做了大量的工作。
但以往的研究工作大多是将机体简化为板－梁组合结构，而较少采用实体模型。
随着计算机和数据处理技术的发展，对内燃机机体实The Model Analysis of Engine Block Using Finite Element MethodDU Fa-rong, JI Fen-zhu, LIU De-haiKeywords : Diesel engine, Block vibration, Model analysis, Finite element methodAbstract : The three dimensional model of a single cylinder diesel engine block with constraint at the bottom is established with the I-Deas software of American SDRC company, and the model analysis of the engine block is carried out using finite element method in the case of constrained model. The inherent frequencies and model shape of the first 10 order modes are obtained respectively. The results show the cases of vibration in every party, and some modifying suggestions to the block are also provided.收稿日期：２００２－１２－０９体模型进行模态分析成为可能。
柴油机部分零部件模态计算与试验-潍柴
柴油机部分零部件模态计算与试验罗国良 李京鲁 康明明 季炳伟 韩峰 田新伟（潍柴动力股份有限公司）摘 要：本文解释了结构模态和模态分析的概念，以某曲轴、气缸体、油底壳为例，说明了模态分析的计算和试验手段，讨论了计算和试验相关联的方法，说明AB AQ US的特征值提取模块在模态分析中的应用。
关键词：曲轴 气缸体油底壳 AB AQ US 模态分析 模态试验1.前言模态是结构系统的固有振动特性，每个模态都具有特定的模态参数。
模态分析是研究结构动力特性的主要方法之一，包括计算和试验两种手段，其目的在于识别出结构系统的模态参数，为结构动力响应预测、动力修改和优化设计、振动和噪声控制、状态监测、故障诊断等提供依据。
计算模态分析是已知结构系统的质量、刚度，利用理论公式求解系统的模态参数。
它常和有限元技术结合起来，将结构离散成有限单元，利用变分原理建立单元动力学方程，将单元质量、刚度矩阵组合成整体质量、刚度矩阵，再利用矩阵迭代法或子空间迭代法求解结构模态参数。
试验模态分析对结构物进行人为激振，通过测量激振力与测点的响应并对其进行快速傅里叶变换，得到任意两点之间的传递函数，用模态分析理论拟合试验导纳函数的曲线，识别出结构的模态参数。
对柴油机零部件进行模态分析和参数识别是进行柴油机振动和机械噪声控制的主要手段，可以了解现有柴油机零部件的动力特性，为零部件结构修改和新产品的开发提供开发手段和基础数据。
2.计算环境和试验环境2.1计算环境模态计算利用有限元方法进行，用到的软件和部分参数列于表-1。
表-1 模态计算的软件和参数CAD软件Pro/E 4.0Hy2.2试验环境模态试验用到的主要设备列于表-2。
模态测试系统图参见图1。
为尽量保证测试部件处于自由状态，曲轴和气缸体采用弹性绳悬吊支撑方式，油底壳采用塑料泡沫支撑；激振方法采用锤击脉冲激励法；对测试数据采用多次触发采样后进行平均处理。
表-2 测试设备图1 模态测试系统图3.曲轴模态计算和试验3.1曲轴简介曲轴是柴油机的动力输出部件，由前端、多个单位曲拐、后端构成。
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 ]
柴油机缸体的试验模态分析
函数 的实 模态 展开 式为 ：
Ｈｔ
ｐ
本 文 以某 ６ ０ １ ５柴油 机 为研 究对 象， 用锤 击 法 采
对 缸体 自由模 态进 行模 态测 试 ， 别 出结 构 的模 态 识 频 率 、 尼 、 型 等模 态 参 数 ， 该 柴 油机 结 构 动 力 阻 振 为 学 分析 和结 构 的改 进设 计提 供 了依据 。
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＭ ｏ ａ ａｙ ｉ ｏ ｌ ｄ ｒＢｌｃ ｆＤｉｓ ｌ ｇｎ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｄ ｌ Ａｎ ｌｓｓ ｎ Ｃｙｉ ｅ ｏ ｋ ｏ ｅ ｅ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ
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维普资讯
２０ ０ ６年 第 ８期
农 业装备 与车 辆工 程
Ａ Ｒ Ｃ Ｌ Ｕ Ａ Ｑ ＩＭＥ Ｔ＆ Ｖ Ｈ Ｃ Ｅ Ｅ Ｇ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ Ｇ Ｉ Ｕ Ｔ Ｒ ＬＥ Ｕ Ｐ Ｎ Ｅ ＩＬ Ｎ ＩＥ ＲＮ
ＮＯ８ ２ ｏ ． ｏ ６
Ｌ 第 １Ｉ ） 总 ８期
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利用有限元分析方法研究汽车发动机缸体的刚度优化设计
利用有限元分析方法研究汽车发动机缸体的刚度优化设计随着汽车科技的不断发展，汽车发动机的性能和效率得到了极大的提升。
作为发动机的核心部件，缸体的刚度优化设计对于提高发动机的工作效率和可靠性至关重要。
本文将利用有限元分析方法来研究汽车发动机缸体的刚度优化设计。
首先，有限元分析是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，可以对结构在不同工况下的力学特性进行模拟和分析。
通过建立一个合适的有限元模型，可以准确地预测缸体在不同受力情况下的应力分布和变形情况。
在进行有限元分析前，需要对缸体的几何形状进行建模。
将缸体分为多个单元，每个单元都具有自己的材料性能和几何形状。
然后，通过在每个单元上应用适当的力和边界条件，可以模拟实际工况下的受力情况。
有限元分析的第一步是对缸体进行网格划分。
合适的网格划分对于结果的准确性和计算效率具有重要影响。
较为典型的划分方法包括四边形单元和六面形单元。
这些单元的尺寸和形状需要根据具体情况进行选择，以保证模拟结果的准确性。
在模拟过程中，我们考虑不同的工况，例如发动机在启动、加速和高速行驶等运行状态下的受力情况。
通过对这些工况下缸体的有限元分析，可以获得缸体的应力和变形情况。
在分析结果的基础上，我们可以对缸体的结构进行优化设计。
例如，在关键应力集中区域加强材料或改变缸体的几何形状，以提高其刚度和强度。
同时，优化设计还需考虑到缸体的质量和成本，以实现一个最佳的设计方案。
通过有限元分析方法进行缸体的刚度优化设计可以带来诸多好处。
首先，准确的应力和变形分析可以帮助工程师更好地理解缸体在不同受力情况下的性能。
其次，优化设计可以提高缸体的刚度和强度，从而提高整个发动机的工作效率和可靠性。
总结而言，利用有限元分析方法进行汽车发动机缸体的刚度优化设计是一种有效的手段。
通过建立合适的有限元模型和进行准确的应力和变形分析，可以实现缸体设计方案的优化。
这种方法为提高汽车发动机的性能和可靠性提供了一种有效的工具。
前机舱盖模态试验方法
前机舱盖模态试验方法1. 概述1.1 分析目的模态分析亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
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。
模态参数可以由计算或实验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
此次前机舱盖模态分析应用可归纳为：●获得前机舱盖结构的固有频率，避免共振现象的发生。
●应用模态叠加法求结构响应，确定动强度和疲劳寿命。
●振动与噪声控制。
●有限元模型修正与确认。
1.2 使用软件说明ANSYS Mechanical是利用ANSYS的求解器进行结构和热分析的。
其可进行结构、动态特性、热传递、磁场及形状优化的有限元分析。
1.3 相关力学理论模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态模型。
2. 前处理2.1 定义材料建立几何模型后，进入Engineering Data界面，选择复合材料库中的碳纤维作为前机舱盖分析的材料。
并在mechanical中赋予几何材料属性。
2.2 划分网格方法建立有限元模型。
选中mesh并使用sizing命令为网格划分添加尺寸控制，完成网格划分。
采用ANSYS默认的网格划分方法，即自动网格划分方法，其适用于复杂实体。
2.2 求解在装配图中前机舱盖与整车连接处施加fixed support固定约束。
3. 分析结果与讨论自由－自由模态（不加任何约束和载荷）分析对于有限元模型的修正帮助很大，可以通过其与实验数值的比较验证仿真结果的可信度。
同时无阻尼线性系统的一般运动都可以表达为各阶固有振型的线性组合。
对应于较低频率的固有振型，对结构的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的能量比较大；而且求解系统的高阶特征值，势必花费更多的计算机资源。
基于ANSYS的发动机缸体综合分析
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3）添加材料属性，膨胀系数
（4）删除原分析的热分析边界条件， 施加新的边界条件 （5）求解计算
（6）结果后处理，获得所需结果的显 示形式
所需要增加的材料参数：线膨胀系数 Thermal Expansio ALPX 分析目的：获得热变形量以及热应变应 力值
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结构变形
最大变形为1.2mm，出现在缸桶两端薄壁 位置
2.增大散热通道的面积
源于：CAE学术论坛
19
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等效应力云图
最大值为105Mp，出现在厚大的位置
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分析评价
（1.）由于柴油机缸体的刚度较 大所以静力分析中变形较小， 模态分析中低阶模态频率高， 保证不会出现怠速引起的更大 噪声和振动。 （2.）热分析中根据最大热应力 值出现位置和最大合位移变形 位置给予两点建议
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1.适当加厚钢桶嵌套厚度，减薄缸筒间的厚大连接部分
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节点热通量云图：
热通量（热流密度）的大小和方向可 以表征热量转移的程度和方向。
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热结构耦合分析
问题分析：利用间接法求得所需结果。
基本步骤：
（1）定义分析类型为结构分析Structure
（2）转换单元，把热分析单元变成结构单 元Element Type → Switch ElemType279 →186
基于ANSYS的某柴油发动机缸体 综合分析
一.概述
二.静力学分析
三.模态分析
四.瞬态热分析
五.热结构耦合分析
2
概述
各分析的必要性：
静力：柴油机爆发压力大，工作 粗暴，模拟上止点左右位置 模态：考虑低转速或怠速工况下 噪声，与振动。
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东风汽车有限公司标准
DFLCT XXXX—2007 发动机汽缸体模态分析方法
前言
本标准是为了适应东风汽车公司新产品开发的要求，为东风载货汽车配置的发动机汽缸体制定的模态分析方法。
本标准主要特点如下：
- - - - 本标准对文中使用的有关名称给出了术语和定义
- - - -本标准提出了东风载货汽车配置的发动机汽缸体模态分析方法。
本标准由东风汽车有限公司商用车技术中心提出。
本标准由东风汽车有限公司商用车技术中心开发管理部法规认证科归口。
本标准起草单位：东风汽车有限公司商用车技术中心CAE室
本标准主要起草人：
DFLCT—XXXX—2007
东风载货汽车发动机汽缸体模态分析方法
1、范围
1.1本标本标准规定了发动机汽缸体模态有限元分析方法。
1.2 本标准适用于东风载货汽车上配置的发动机。
2、规范性引用文件
下列文件中的条款，通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误表的内容）或修订版均不适用于本标准。
然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡不注明日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
ECE R29 卡车驾驶室乘员保护要求的规则
《关于重卡正面冲撞时的车辆乘员安全性的指导原则》日本汽车研究所
3、术语和定义
3.1 模态
系统振动的固有特征，相关的参数主要有固有频率、模态振型、模态质量、模态刚度、阻尼比等。
3.2 固有频率
结构在受到干扰时易于发生振动的频率。
3.3 模态振型
结构在特定频率下的变形。
4、分析条件
4.1 按照卡车驾驶室乘员保护要求的规则（ECE R29）规定的边界条件进行正面摆锤碰撞仿真分析。
4.2 按照《关于重卡正面冲撞时的车辆乘员安全性的指导原则》（日本汽车研究所）规定的边界条件进行正面固定障碍壁碰撞仿真分析。
5、分析软件与硬件
5.1 有限元建模一般应用ALTAIR/HYPERMESH以及TECHNOSTAR/TSV-PRE软件。
5.2 应用ALTAIR/OPTSTRUACT、TECHNOSTAR/TSV-ADVC、MSC/NASTRAN软件进行求解。
5.3应用HYPEMESH、TECHNOSTAR/TSV-POST、UGS/I-DEAS软件完成仿真结果的数据处理。
5.4 分析硬件平台为SGI MERCURY计算服务器和HP NT工作站。
6、分析方法
6.1 根据发动机缸体的几何模型，应用有限元前处理软件建立有限元分析模型。
6.2 划分的有限元网格应满足如下要求：
6.2.1 网格划分以四面体二阶单元为主，在缸体壁厚方向上最好有两排单元；
6.2.2 单元尺寸一般为5～7mm；
6.3.3 四面体单元的最小伸长比（Min Stretch）应大于0.1，最大边长比（Aspect Ratio）
应小于10。
6.4 应用CAE后处理软件完成仿真结果的数据处理，输出结果主要是缸体的频率和振型。
6.5 进行仿真结果的分析评价，可与现用的发动机缸体进行对比。
7、分析记录
7.1 发动机缸体结构几何模型（*.ptr、*.ass格式）。
7.2 模态分析模型（*.hm、*.vdb、*.dat格式）。
7.3 模态分析结果（*.res、*.vns、*.op2格式）。
DFLCT—XXXX—2007。