柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)曲軸有限元模型的驗(yàn)證與精度研究.pdf

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1、杜善剛高浩鵬黃進(jìn)明王承禹：柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)曲軸有限元模型的驗(yàn)證與精度研究柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)曲軸有限元模型的驗(yàn)證與精度研究StudyontheVaHdationandAccuracyofCranl【shaftFEMModeIfortheAnalysisofDi俗elMlIlti_bodypynaIIIics杜善剛1高浩鵬2黃進(jìn)明3王承禹1(1．海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室2．海軍工程大學(xué)3．中國衛(wèi)星海上測控部)[摘要)以某型柴油機(jī)曲軸為研究對象，對其進(jìn)行三維實(shí)體建模，并建立其有限元模型。在通過試驗(yàn)對曲軸自由模態(tài)分析模型修正的基礎(chǔ)

2、上，討論曲軸約束模態(tài)分析時(shí)有限元的建模方法：在此基礎(chǔ)上，通過曲軸的約束模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證曲軸的約束模態(tài)分析模型，得到了柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)精度較高的曲軸約束模態(tài)模型的建模方法。文中的建模方法提高了模型的精度和可信度，可應(yīng)用于其它機(jī)械零部件。[關(guān)鍵詞]曲軸約束模態(tài)有限元模型多體動(dòng)力學(xué)Keywords：CrankshaftConstmintmodalFEMmodelMulti—bodvdvnamics引言曲軸在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)中處于核心位置，其受載和運(yùn)動(dòng)具有多樣性。目前，通過多體動(dòng)力學(xué)對柴油機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、故障診斷以及振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)特性分

3、析趨于成熟【l】。然而在以曲軸為柔性體的剛?cè)峄旌辖r(shí)．對于曲軸約束模態(tài)分析模型的建模方法以及模型的精度討論較少【2】。本文基于參考文獻(xiàn)【31的方法，在對曲軸自由模態(tài)分析模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上．主要討論柴油機(jī)剛?cè)峄旌辖r(shí)曲軸柔性體的建模方法以及曲軸模型的精度問題。1曲軸有限元約束模態(tài)分析模型的建立柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲軸。其柔性體模型的生成主要在有限元軟件中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)。將曲軸作為柔性體的剛?cè)峄旌夏Ｐ偷膶?shí)現(xiàn)，是通過曲軸有限元模型生成的模態(tài)中性文件傳遞數(shù)據(jù)，將剛性體替換為柔性體來進(jìn)行。圖1曲軸約束模態(tài)分析模型忒籬，，。鏨溺熊纛a

4、bC一攀j鬻繁森一???一?一--???}一???一，-，?一一一÷?一???，，，???idef圖2不同MPC添加方式計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)中，有限元建模時(shí)需要通過對連接處進(jìn)行剛化處理，使得載荷能順利傳遞。對于曲軸這種承載量大的部件，建模時(shí)需對主軸承部位通過多點(diǎn)約束(MPC)來實(shí)現(xiàn)剛?cè)徇B接，其有限元模型如圖1所示。這種約束模態(tài)分析模型的建立，大多數(shù)文獻(xiàn)中都沒有詳細(xì)說明約束點(diǎn)所選取的位置：而2內(nèi)燃機(jī)與配件2013年第2期位置的選取必然對結(jié)構(gòu)矩陣產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響模態(tài)計(jì)算結(jié)果。文中選取6種不同的方案(6種方案分別如圖2中a、b、c、d、e、f所

5、示。其中a、b、c選取主軸頸表面節(jié)點(diǎn)，d、e、f選取約離表面五分之一主軸頸半徑處；a和d選取整個(gè)圓周面上的節(jié)點(diǎn)，b和e選取靠近主軸頸中面的圓周面上的節(jié)點(diǎn)，c和瓞取遠(yuǎn)離主軸頸中面的圓周面上的節(jié)點(diǎn))討論約束點(diǎn)位置的選取對模態(tài)結(jié)果的影響，得到較優(yōu)的約束點(diǎn)的選取位置，為柴油機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)模型建立奠定基礎(chǔ)。曲軸約束模態(tài)試驗(yàn)分析模型的有效性和正確性是動(dòng)力學(xué)分析的前提。在曲軸自由模態(tài)分析模型驗(yàn)證與修正的基礎(chǔ)上，曲軸約束模態(tài)分析模型的誤差主要在于使用多點(diǎn)約束來模擬主軸承的過程，而該過程具有多樣性，故對有限元模型的試驗(yàn)驗(yàn)證是一項(xiàng)必不可少的內(nèi)容同。

6、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過程可操作性強(qiáng)，能較好的得到零部件的固有屬性：故通過曲軸的約束模態(tài)試驗(yàn)對曲軸約束模態(tài)有限元分析模型的驗(yàn)證是一種行之有效的方法。2．1支撐方式根據(jù)本文的研究內(nèi)容，對曲軸約束方式下進(jìn)行模態(tài)測試，其支撐方式如圖3所示。約束方式是將曲軸安裝在設(shè)計(jì)加工好的臺(tái)架上，其主軸承的結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)際柴油機(jī)主軸承一致。圍3曲軸約柬模戀試驗(yàn)支揮方式2．2激勵(lì)方法考慮到試驗(yàn)件的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的測試儀器，本文采用單輸入單輸出錘擊激勵(lì)法對曲軸進(jìn)行錘擊試驗(yàn)以獲得其頻率響應(yīng)函數(shù)。力錘激勵(lì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：激勵(lì)點(diǎn)和激勵(lì)方向要與模態(tài)測試幾何模型相對應(yīng)；激勵(lì)

7、力要適當(dāng)，太大容易引起非線性誤差，太小可能使得模態(tài)遺漏；激勵(lì)應(yīng)選用多次平均以減小誤差。2．3測點(diǎn)布置及模態(tài)分析模型的建立本文通過N—Modal模態(tài)分析軟件建立曲軸模型的激振點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)，建立的曲軸幾何模型如圖4所示．共布置了73個(gè)測點(diǎn)?？紤]到約束模態(tài)有些測點(diǎn)難于測量，使用約束方程進(jìn)行等效。布置測試點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意：聯(lián)結(jié)測量點(diǎn)間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在一定程度上能反映實(shí)際試件的結(jié)構(gòu)形狀；響應(yīng)點(diǎn)不應(yīng)選在模態(tài)的節(jié)點(diǎn)處，響應(yīng)點(diǎn)的選擇可以參照有限元計(jì)算結(jié)果。P曰《：瓣《VII廣I8I＼Uq“圖4曲軸約束梗森翻試幾何梗型2．4試驗(yàn)設(shè)備、測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的采集激勵(lì)力錘采

8、用的是帶有壓電式力傳感器KD3000系列石英力錘，其電荷靈敏度為3．42pc／N；振動(dòng)傳感器選用KDl002LC型ICP加速度傳感器，最大橫向靈敏度小于5％；信號(hào)放大器選用DH5862程控電荷放大器：測試系統(tǒng)采用的是Av