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柴油机整体有限元模态分析

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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。

目前，模态分析多采取试验研究和有限元数值计算相结合的方法，常用实验模态分析的结果修正有限元模型，由此可得到含有结构参数的、精确的有限元模型［1］。

所以对柴油机进行模态分析有助于识别柴油机的动态特性，得到的相关数据对柴油机结构的优化改进设计以及减振降噪都具有一定的指导意义。

目前国内对柴油机的有限元分析仅局限于机体、缸盖等零部件。

本文首次将柴油机作为一个整体进行研究，分析了该类柴油机的振型特点，为整体结构优化提供了一些依据。

2柴油机有限元模型的建立有限元模型（包括节点数据、单元、物理特性、材料特性）的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。

材料属性见表1。

本文采用的是ABAQUS 分析软件，由于机体、缸盖等零部件的有限元模型建立已经十分成熟，且在很多文献中都阐述过，限于篇幅，本文对零部件部分不再赘述。

部件组装：进入ABAQUS 的Assembly 模块，从主菜单中选择Instance →Create ，在Create Instance 对话框中选择各部分，点击Apply 。

从主菜单中，通过利用Translate 、Rotate 等常用工具，选择Constraint →Face to摘要：以柴油机为研究对象，利用ABAQUS 软件，通过Assembly 模块建立了柴油机整体有限元模型，采用工程上常用的Lanczos 法计算出自由模态的固有频率和振型,通过振型分析,找到柴油机振动的薄弱部位,并提出了相应的修改措施,从而为柴油机结构的改进设计及动态响应分析提供可靠的依据。

并对比了机体模态分析结果，指出了机体模态分析的可行性。

关键词：柴油机；有限元；模态分析中图分类号：T P391.7文献标识码：A文章编号：1002－2333（2009）08－0084－02The Holistic Finite Element Model Analysis of Diesel EngineLIU Jin-ling,JIN Tao,MA Yu-shan（Institute of Chemical Process Machinery,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China ）Abstract ：Based on ABAQUS software,by Assembly module,the holistic finite element model of Diesel engine was built.Inhere frequencies and mode shapes of Diesel engine under nature conditions were worked out by using Lanczos which is the most polular method to solve modal anslysis in engineering.The weak partitions of the Diesel engine vibration were found by mode shapes analysis,and the corresponding modifications were put forward,which can be seen as the reliable foundation for improving construction design and response analysis of the Diesel engine.In contrast to results of engine block model anslysis,the feasibility of engine block model anslysis was point out.Key words ：diesel engine;FEM;model anslysis名称机体、缸盖气缸套材料灰铸铁20Mn密度/kg ·mm -37.2e-97.85e-9弹性模量/MPa1.26e52.1e5泊松比0.250.28表1材料属性仿真/建模/CAD /CAM /CAE /CAPP制造业信息化MA NUFACTURING INFORMATIZATION机械工程师2009年第8期841阶4阶固有频率/Hz 334.14662.682阶5阶固有频率/Hz 486.66957.093阶6阶固有频率/Hz 619.771020.8表3柴油机机体模态固有频率表1阶4阶固有频率/Hz 345.84648.422阶5阶固有频率/Hz 482.21954.693阶6阶固有频率/Hz612.67984.45表2柴油机整体模态固有频率表Face 、Edge to Edge 等来定位。

定义约束：我们采用的是Constraint →CreateConstraint →Tie 约束。

整体有限元模型如图1。

3计算结果及分析所谓自由模态是指结构刚度件不受任何外力内力的作用，也没有任何约束限制，处于自由状态下计算出来的模态，其分析结果显示出了刚度件各部分结构振动的强弱分布以及抗振薄弱区。

根据以往的经验指出，当结构体载动载荷激励下产生共振时，一般只有几个低阶（2000Hz 内）共振情况比较危险，因此在进行振动分析时，常常只需要知道几个固有频率及阵型，而不必求出所有的固有频率和阵型。

因此我们只计算前几阶模态。

3.1整体模态计算结果与分析在建立的有限元计算模型的基础上,加上“机体底部的紧固螺栓处X 、Y 、Z 方向移动自由度和X 、Y 方向的转动自由度”的边界条件,选用Block Lanczos 算法［2，3］对柴油机进行模态求解。

取其低6阶模态。

得到的低6阶固有频率见表2；对应的振型见图2（限于篇幅，取有代表性的几阶）。

可以看出：前6阶振动（表格是从第7阶开始），其固有频率接近零，即所谓的刚性振型振动，此种模态下，机体跟缸盖作为一个刚体作整体振动，其振动是由于水平或则垂直方向力引起的。

在第1阶固有频率下，机体作与曲轴轴线垂直的横向扭转振动，这与传统的说法：机体上部与裙部分的结合面是刚度的薄弱地带一致。

在第5阶固有频率下，机体作弯扭耦合的振动。

在第6阶固有频率下，机体上部的振动已经不明显了。

当其他因素不变时，振动的大小取决于柴油机结构的刚度。

显而易见，提高柴油机的刚度是最直接而有效的措施，尤其是提高机体裙部的刚度。

提高机体刚度的最常见的措施就是增加壁厚，在机体内部跟外表面设置加强筋和将机体外壁制成曲面。

增加壁厚，机体的重量会大幅度的增加，有时需要改用铝合金或镁合金以减轻重量。

3.2与机体模态结果比较与分析单独分析机体，也取其低6阶模态。

得到的低6阶固有频率见表3。

对应的振型见图3（限于篇幅，也取相应的有代表性的几阶）。

可以看出：跟整体柴油机有限元分析比较，无论从固有频率还是阵型，都比较接近，这是因为机体是柴油机的主体结构，结构最复杂且体积最大，是安装其它零部件和附件的支承骨架。

它要承受燃烧过程混合气的高温、高压和高速运动件的振荡力和摩擦磨损，并传递到柴油机的各零部件上。

所以分析机体的动态特性上可以有效的反应柴油机的整体特性，但是却可以大大减少计算量，这恰恰说明了机体模态分析的可行性和现实意义。

4结论（1）本文首次将柴油机作为一个整体分析，分析表明：其刚度薄弱位置仍然在机体上部与裙座部分的结合面。

可以通过增加壁厚，在机体内部跟外表面设置加强筋和将机体外壁制成曲面的措施来进行改进。

（2）柴油机整体分析跟机体分析比较接近，即机体模态分析可以有效的反应柴油机的整体特性，且可以大大减少计算量，所以机体模态分析有很重要的现实意义。

［参考文献］［1］刘玉梅，袁文华.柴油机机体三维建模及有限元模态分析［J ］.机械工程师，2007（1）：89-90.［2］王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法［M ］.北京：清华大学出版社，1997：63-473.［3］Ojalvo I U.Proper use of Lanczos for Large Eigenvalue Problems［J ］.Computers &Structures ，1985（20）：115-120.（编辑立明）作者简介：刘金玲（1983-），女，硕士研究生，研究方向为基于近场声全息理论的噪音与振动研究。

收稿日期：2008-08-1585机械工程师2009年第8期制造业信息化仿真/建模/CAD /CAM /CAE /CAPPMA NUFACTURINGINFORMATIZATION。

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高效柴油机整机结构动态特征有限元分析

高效柴油机整机结构动态特征有限元分析

建模 过程 中充分 考 虑 了可能 对 整机 振 动 特性 产 生 影 响 的局 部结 构 特 征 ， 在 完 成 了 有 限 元 离 散 误 差 收 并 敛性 分 析 的基 础 上 ， 用 实 体 单 元 建 立 了整 机 组 合 采 体 的用 于动态 特 性 分 析 的有 限元 分 析模 型 。
文 中有 限元 网格模 型均 采用 此 种单 元 离 散 ，收敛 性
１ 有 限 元 离 散 误 差 的 敛 性 分 析
２０ ０ １年 ９月 收 稿 ，０ ２年 ６月定 稿 。 ２０
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第 ３期 高 效 柴 油 机 整 机 结 构 动 态 特 性 有 限 元 分 析 ２５ ９
寸 ｈ和插 值 函数 次 数 ｍ ，即理论 上 通 过选 取 小 的 步
长 （ 密网格） 加 或采 用 高次 位 移形 函数 多 项式 可 以 降
的动态 性 能 ， 有 必 要 进 行 内 燃 机 整 机 模 拟 装 配 状 就
态 的组 合 体 自由模 态 计 算 分 析 。试 算 表 明 ， 进 行 在
一
有 限元 误差 理 论 公 式 的详 细 推 导 在 文 献 ［ ］ ４ 中 已作 了论 述 ， 里 只 给 出结论 。 这 由有 限 元 求 解 精 度 理 论 ， 于确 定 的 特 征值 问 对 题 ， 限 元精 度 如 何 ， 要 取 决 于两 个 因 素 ： 元 尺 有 主 单
致甚 至相 距 甚远 。 因此 ， 要想 全 面 、 确 掌握 整 机 准
件结 构 的复 杂性 ， 用 高 次 单 元 实 现 有 限 元 网格 的 选 划分 其 难 度及 工 作 量 很 大 ， 以往 文 献 多 是 以大 量 简 化其 结 构 为代 价 而 实 现 的。 由于 简 化 的方 式 及程 度
EH42型柴油机机体有限元静力分析

EH42型柴油机机体有限元静力分析

EH42型柴油机机体有限元静力分析摘要：本文研究对象是EH42型单缸柴油机的机体，首先利用Solidwork软件建立该型柴油机机体的实体模型；在Hypermeh软件中，导入机体实体模型进行手动网格划分，并对网格优化，提高划分质量，建立了机体的有限元模型；最后，将机体的有限元模型导入ANSYS软件中，施加了机体在最大爆发压力工况下所受的载荷与约束，得出了机体在该工况下最大应力值、应变值及其分布状况。

分析结果达到了对机体强度校核的目的，验证了该型柴油机机体结构的设计是安全的。

机体是柴油机中结构、最复杂、最重要的零部件之一。

机体的受力非常复杂，它承受着柴油机工作时气缸内的气体压力和活塞往复惯性力等动载荷，也承受紧固其他零部件的螺栓产生的预紧力，在设计柴油机机体时，必须使其具有足够的刚度和强度。

因此，对机体进行有限元静力分析，保证机体设计和结构优化的可靠性，是当前整个柴油机设计过程中必不可少的重要环节。

本文以EH42型柴油机的机体为研究对象，用有限元分析对其机体进行静力分析。

分析的结果较为真实的反映了柴油机机体的应力、应变，为柴油机的设计、结构优化提供了相關的计算依据，其部分参数如表1所示。

1.机体的有限元模型1.1机体实体模型的建立本文根据EH42型柴油机的机体图纸尺寸，用Solidwork软件建立了三维实体模型，主要建模思路是：首先绘制机体的整体轮廓，EH42型柴油机机体的整体尺寸为长629mm，宽199mm，高370mm；接着在创建机体内腔、主轴承孔及其凸台、齿轮室等；再对机体气缸体部分创建的同时需要完成气缸孔、冷却水道、气缸体外形轮廓及安装凸台的创建；最后再创建机体各个面上的螺纹孔和直孔。

在建立机体实体模型时，对机体进行了简化：（1）忽略一些如凸台、油道、水道、销孔局部性细小结构；（2）对螺栓、螺纹孔进行简化处理。

经过以上简化处理后机体的实体模型见图1、图2。

1.2机体有限元模型的建立有限元网格的好坏直接关系到计算和分析的准确度，本文用HyperMeh软件建立机体的有限元网格模型。

内燃机机体有限元模态分析

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。

柴油机活塞有限元分析

柴油机活塞有限元分析

图1 1/4活塞有限元模型■ 武汉大学/徐 辉柴油机活塞有限元分析有限元分析步骤分为三维模型制作，导入C AD 模型，设置材料属性，设置接触状态，设置边界条件，设 置求解类型、约束和载荷，指定输出结果，分析处理计 算结果。

本文通过柴油发动机性能摸底获取了发动机实际 运行中的缸内燃烧爆发压力18M P a ，假设活塞顶面最 高运行温度为375℃，发动机额定功率和转速为254k W / 1900r·mi n －1，最大转矩为1635N·m/1200r·mi n －1，用以上 数据作为FE A 分析的边界条件进行分析。

边界条件的处理边界条件处理是否合理直接影响计算结果是否精确。

对于高升功率和高燃油喷射压力的柴油机，进行燃 烧模拟估算进入缸套的热流量能够为有限元提供很好的 输入，但是通常供应商不具备这个能力，他们通常是参 照同等机型活塞开发的经验数据，对比机型的升功率、 燃烧爆压、燃烧室形状、换热系数，然后给一个相对合 适的输入。

当然，要想准确获得各个表面的换热系数十分困 难。

通常是在已有的经验公式基础上计算获得一个近似 值，然后通过多次计算，根据已有的试验数据再进行调 整。

也就是说，在进行过渡工况的温度场计算前，先要 进行几次稳定工况的温度场计算，以此验证边界条件是 否恰当。

实际上采用温度塞获取的温度场数据更真实，然后 再用温度场获得的数据修正有限元的分析并最终优化活 塞的设计是必要的。

模拟最坏的情况（最大功率、额定转速、最大爆压 18MPa 、最大测量温度）作如下条件假设：（1）只考虑温度。

（2）同时考虑温度和额定转速下产生的惯性力。

（ 3 ）考虑温度、惯性力和侧向力（曲轴转角 117°）。

（4）考虑温度、惯性力、爆压和侧向力（曲轴转 角250°）。

（5）考虑温度、惯性力、爆压和最大副推力侧侧 向力（曲轴转角344°）。

（6）考虑温度、惯性力、峰值爆压和侧向力（曲 轴转角367°）。