油液對油底殼模態(tài)的影響分析_郭昂

1、第 37 卷第 1 期大 連 海 事大 學 學報Vol. 37N o. 12011 年 2月Journal of Dalian Maritime UniversityF eb. ,2011文章編號: 1006- 7736( 2011) 01-0118- 03油液對油底殼模態(tài)的影響分析郭昂, 于洪亮, 宋玉超( 大連海事大學輪機工程學院, 遼寧 大連116206)摘要: 針對柴油機濕式油底殼的振動特性問題, 以 4120s 型柴油機為例, 采用有限元法對不同充液量的油底殼模態(tài)頻率和振型特征進行分析, 并對存在油液時的油殼系統(tǒng)進行增加加強板的結構改進. 結果表明: 隨著機油量的增加, 油底殼模態(tài)頻

2、率逐漸降低, 模態(tài)振型也發(fā)生了顯著變化; 形貌優(yōu)化后的油底殼, 固有頻率有較大提高, 剛度大幅度增加, 有利于減振降噪.關鍵詞: 模態(tài)分析; 充液; 油底殼; 有限元法( F EM )中圖分類號: T K 421. 6文獻標志碼: AInfluence of oil liquid on the oil pan modalGU O A ng , YU Hong liang, SON G Yuchao使用, 從而加大了機械設備的振動和噪聲.柴油機中油底殼部件表面積大, 并且由薄鋼板沖壓或鑄造而成, 為薄壁型部件, 極易產(chǎn)生誘導振動, 其輻射噪聲占整機輻射噪聲的 20% 左右 1 , 因此, 在設計

3、階段對油底殼的動態(tài)特性進行準確分析、預測和改進設計, 并避開主機激振力的共振頻率, 對于柴油機整體的減振降噪具有重要意義. 目前對于油底殼的分析多限于不考慮殼內機油的影響 1- 4 , 這顯然與實際情況不符. 本文結合 4120s 型柴油機,采用有限元方法, 對不同含油量的油底殼進行振動特性( 模態(tài)參數(shù)) 對比分析, 并對該濕式油底殼進行形貌優(yōu)化設計.( M arine E ngineering College , Dalian M aritim e Un iversity, Dalian 116026, China)Abstract: Aiming at the vibration char

4、acter istics o f wet o il pan of diesel eng ine, t he finite element method( F EM ) w as used to an-alyze t he modal fr equency and v ibration model, and a structure improvement w ith adding a stiffening plate of o i-l pan system of 4120s diesel engine w as made. R esearch results show that the moda

5、l frequencies of oil pan decrease gr adually wit h the amount of eng ine oil incr easing, and modal shapes also have noticeable changes. T her e is a great incr ease of the inherency frequency and stiffness for the oil pan w ith topo graphy optimized, which is in faour of both v ibration and noise r

6、educing .Key words: modal analysis; filling liquid; oil pan; finite element metho d( F EM )0引 言內燃機轉速和功率不斷提高以及內燃機輕量化的發(fā)展趨勢, 促使內燃機外殼變薄, 加速了新型材料1 模態(tài)分析理論 5結構振動問題, 目前主要采用有限元法進行分析, 即把機構離散成為有限個單元體, 求出單元剛度矩陣和單元質量矩陣, 按節(jié)點自由度序號對號, 對各單元剛度矩陣和質量矩陣組集, 得到總剛度矩陣 K 和總質量矩陣 M . 結構的通用動力方程為 M s + C s + K s = F( t ) ( 1)其中:

7、 s 為加速度向量; s 為速度向量; s 為節(jié)點位移向量; F ( t ) 為整體載荷向量; C 為復合阻尼.不考慮結構阻尼的影響和外界約束受力, 多自由度結構無阻尼振動方程( - f 2 M + K ) s = 0( 2)其中: f 為自由振動固有頻率. 特征方程為| - f 2 M + K ) | = 0( 3)展開該行列式, 得到一個關于 f 的n 次多項式,多項式的根( 特征值) 即為模型的固有頻率. 將特征值帶入式( 2) , 即可求出特征向量, 從而獲得給定頻收稿日期: 2010- 08- 03.作者簡介: 郭昂( 1987- ) , 男, 山東濟寧人, 研究生, E- mail

8、: g uoang 87 163. com.通信作者: 于洪亮( 1963- ) , 男, 山東萊陽人, 教授, 博士生導師, E- mail: yhl1202 new mail. dlmu. edu. cn.第 1 期郭 昂, 等: 油液對油底殼模態(tài)的影響分析119率下的振型.勻自由網(wǎng)格劃分.2 油底殼的模態(tài)分析2. 1 模型建立采用三維建模軟件 pro e 建立 4120s 型柴油機油底殼的實體模型. 此處忽略了對整體結構和剛度影響不大的放油螺栓. 圖 1( a) 為殼體模型; 圖 1( b) 為含油量為油底殼內腔高度 3 4 的油殼模型.圖 1 實體模型2. 2 構造有限元模型利用有限元

9、分析軟件 ANSYS 中的模態(tài)分析模塊進行殼的模態(tài)分析 6 . 結構材料為 A8 鋼板( 彈性模量 E = 2. 1 1011 Pa, 泊松比 = 0. 3, 密度 = 7800 kg m3 ) . 采用實體單元進行網(wǎng)格劃分較殼單元更為準確, 經(jīng)綜合分析后, 采用 10 節(jié)點實體單元solid92對實體模型劃分均勻自由網(wǎng)格, 劃分后的殼體模型如圖 2 所示. 總共劃分 22 493 個單元、45 281 個節(jié)點.圖 2 實體有限元模型2. 3 油底殼模態(tài)分析結果油底殼通過 28 顆螺栓連接使油底殼上表面與曲軸箱緊固, 因此對油底殼上表面全約束, 采用 Block Lanczos 法提取結構的前

10、 10 階約束模態(tài). 提取的純殼體的模態(tài)特征如圖 3 和表 1 所示.因為殼的結構比較緊湊, 機油黏度較大, 并且在柴油機正常工況下晃動幅度較小, 將流體對固體的作用以固體附加質量形式出現(xiàn), 可使流固耦合問題轉化為固體動力學問題, 從而大大簡化流固耦合系統(tǒng)的分析. 把殼體中液體質量附加到濕殼處, 這里采用增加濕殼處平均密度的方法來處理, 然后進行均圖 3 第 1、3、5、7 階位移云圖表 1 干殼的前 10 階模態(tài)階次固有頻率 Hz模態(tài)特征1172. 01上底面鼓脹波數(shù)為 12268. 51上底面前后鼓脹波數(shù)為 23 310. 19下底面鼓脹波數(shù)為 14 401. 36上下底面同時鼓脹波數(shù)為

11、55 408. 84上底面左右鼓脹波數(shù)為 26 422. 44上下底面同時鼓脹波數(shù)為 57 461. 59兩側板同向鼓脹波數(shù)為 18 481. 95兩側板反向鼓脹波數(shù)為 19 523. 45后側板鼓脹波數(shù)為 110 545. 12兩側板同向鼓脹波數(shù)為 1定義充液比( ) 為油液高度與油底殼內腔高度之比, 令 = 1 8、2 8、3 8、4 8、5 8、6 8, 得到不同充液比時的濕殼前 10 階約束模態(tài)( 表 2) , 其變化幅度如圖 4 所示.表 2不同充液比時的油底殼模態(tài)頻率階模態(tài)頻率 Hz次= 0= 1 8 = 2 8 = 3 8 = 4 8 = 5 8 = 6 81172. 01160

12、. 50159. 70127. 1393. 6082. 1077. 772268. 51202. 36172. 68160. 75151. 74129. 47121. 963310. 19250. 47236. 90201. 99164. 16144. 55137. 164401. 36283. 69252. 23225. 33210. 87195. 15182. 935408. 84357. 92309. 92281. 30229. 91198. 14186. 746422. 44382. 69353. 10304. 17253. 80204. 85191. 297461. 59386. 3

13、2374. 47309. 49260. 62218. 92200. 158481. 95407. 38378. 47325. 38272. 22226. 74206. 319 523. 45 413. 31 386. 41 336. 65 283. 00 243. 39 223. 7110 545. 12 424. 36 389. 77 342. 94 303. 27 264. 48 247. 97由圖 4 可知, 油底殼的固有頻率隨著所含機油量的增加逐漸降低. 液體的存在對油殼整體質量的影響大于對整體剛度的影響, 從而大大降低了系統(tǒng)的固有頻率, 前 10 階模態(tài)頻率中最大下降幅度達57% .

14、 并且, 隨著油液量的增加, 濕殼模態(tài)頻率降低幅度都有進一步升高的趨勢. 圖 5 為充液比分別為 1 2、3 4 時的第 1、3、5、7 階的模態(tài)振型圖.120大連海事大學學報第 37 卷本文設計的油底殼加肋方案如圖 6 所示.在 = 1 2 工況下, 比較油底殼原型和加肋處理后的有預緊力的實際工況下的模態(tài)變化, 得到的固有頻率如表 3 所示, 第 6 階振型的變化如圖 7 所示.圖 4模態(tài)頻率變化幅度圖 5充液比分別為 1 2、3 4 時第 1、3、5、7 階位移云圖油液的存在使某些階次的模態(tài)振型發(fā)生了顯著變化. 以充液比為 1 2 的濕殼為例, 第 3 階振型由波數(shù)為 1 的下底面鼓脹,

15、變?yōu)椴〝?shù)為 2 的上底面前后鼓脹; 第 7 階振型由兩側板同向鼓脹, 變?yōu)椴〝?shù)為 3 的上底面前后鼓脹; 并且, 油液的存在使油底殼發(fā)生明顯振動的部位增加, 降低了油底殼的局部振動特性, 提高了整體振動特性.3 基于濕殼的結構優(yōu)化結構振動較大的部位, 多是能量集中的部位 7 , 對該處進行加肋優(yōu)化更有利于提高系統(tǒng)整體剛度.在保證不影響安裝和系統(tǒng)質量變化不大的前提下,圖 6 加肋后的油底殼模型表 3 改進后的油底殼和原型的模態(tài)頻率對比階次模態(tài)頻率 Hz模態(tài)頻率升高率 %原型加肋后193. 599122. 84312151. 74180. 18193164. 16210. 45284210. 87

16、260. 47245229. 91287. 21256253. 80355. 95407260. 62362. 48398272. 22380. 21409283. 03398. 234110303. 27425. 5640圖 7第 6 階振型對比由圖 7 可以看出: 加肋后, 系統(tǒng)振型改變, 其中第 6 階振型由側面鼓脹變?yōu)閮刹〝?shù)的下底面鼓脹;各階模態(tài)頻率都有較大幅度的提高, 最大達 41%, 從而大幅度提高了系統(tǒng)的整體剛度, 這對降低主機激振力引起的振動和噪聲具有重要意義.4結 論( 1) 油液的存在使油底殼的振型發(fā)生變化, 固有頻率下降. 且隨著充液比的升高, 固有頻率下降幅度增大. (

17、 2) 對振動能量大的部位, 通過加肋優(yōu)化處理,使模態(tài)頻率和結構剛度大幅度提高, 對于減振降噪有重要意義. ( 下轉第 123頁)第 1 期劉德良, 等: 點接觸彈流問題的數(shù)值分析123加, 膜厚也顯著增加, 油膜的平行區(qū)縮短, 二次壓力峰的高度也隨之增加. 計算結果比較表明, 速度是影響彈流膜厚的主要因素.由圖 1( c) 、圖 23 中的壓力和膜厚曲線可以看出, 與速度參數(shù)相比, 載荷對膜厚的影響要小得多,尤其是當在無量綱載荷達到 10- 6 量級以后, 載荷對膜厚的影響是微小的, 這正是彈流潤滑理論區(qū)別于經(jīng)典潤滑理論的重要特征.圖 4算例 4 截面圖隨著速度的減小和荷載的增加, 在低速或

18、極重載情況下, 點接觸彈流的壓力分布及膜厚形狀均會與赫茲理論結果趨于一致.3結 論圖 5算例 5 計算結果新月形的二次壓力峰區(qū), 中心面上的壓力峰數(shù)值最高, 并且與接觸中心的距離最近, 這與文獻 6 的數(shù)值解以及試驗結果一致, 說明本研究所采用的計算方法是正確性.由圖 1( c) 、圖 4、圖 5( c) 中的壓力和膜厚曲線可以看出, 在其他參數(shù)不變情況下, 隨著速度參數(shù)的增本文采用復合直接迭代法數(shù)值求解等溫彈流點接觸問題, 數(shù)值解正確反映了彈流潤滑狀態(tài)下接觸區(qū)流體壓力分布、彈性體的彈性變形, 獲知載荷和速度對潤滑狀態(tài)的影響. 本研究可作為點接觸彈流問題的驗證與補充.參考文獻( Referen

19、ces) : 1 DOWSON D, H IGGI NS SO N G R.Elasto- hydrody namicLubrication M . Ox for d: P erg amon Press, 1977. 2 HAM RO CK B J, DOWSON D.Isothermal elasto- hydrody-namic lubricat ion of point contacts,Part: fully floodedresults J . ASM E Journal ofLubricationT echnolo gy,1976, 99( 2) : 264- 276. 3 溫詩鑄. 摩擦學原理 M . 北京: 清華大學出版社, 2008. 4 盧洪, 楊沛然. 用多重網(wǎng)格法準確計算彈流潤滑膜厚度的方法 J . 潤滑與密封, 2010, 35( 4) : 5- 9. 5 任偉, 陳家慶, 高巖. 多重網(wǎng)格法在非 Hertz 接觸問題中的應用 J . 軸承, 2008( 3) : 1- 5. 6 溫詩鑄, 楊沛然. 彈性流體動力潤滑 M . 北京: 清華大學出版社, 1998.( 上接第 120 頁)參考文獻( References) : 1 M AN DA L K A, T HERT ON D L . A study of magnetic flux-