柴油机曲轴模态的三维有限元分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第８卷第２期２００８年１月　科学技术与Ｔ程　Ｖｏ１．８　Ｎｏ．２　Ｊａｎ．２００８　１６７１—１８１９（２００８）２－０４９１—０４　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑥２００８　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　动力技术　柴油机曲轴模态的三维有限元分析　胡　振马哲树　冯国增　（中国船舶重工集团公司武昌造船厂，武汉４３００６０；江苏科技大学机械与动力丁程学院　，镇江２１２００３）　摘要对Ｘ２１０５Ｃ－－１型柴油机曲轴在自由模态下的固有频率特性进行了有限元分析，所计算的模态包含了扭转振动、弯曲　振动和纵向振动。对Ｘ２１０５Ｃ－－１型柴油机曲轴而言，前三阶非零模态可能引起曲轴的共振。计算结果较为真实地反映了柴　油机曲轴的固有频率特性，可为动态响应分析和结构动力修改提供了进一步分析的动力学模型。　关键词柴油机　曲轴　模态分析　有限元分析　中图法分类号ＴＫ４２２．３；　文献标志码Ａ　柴油机曲轴部件系统在周期性变化的动载荷　下有可能在发动机高速旋转时发生强烈共振，动应　１　曲轴模态分析的有限元模型　力急剧增大，致使曲轴过早地出现疲劳破坏。普通　Ｘ２１０５Ｃ－－１型柴油机是两缸船用发电机组柴　的静力设计和经验设计方法由于与实际偏离太大，　油机，其基本参数见表１。　已不能满足要求。因此，动态设计和计算机模拟就　表１　Ｘ２１０５Ｃ￣１柴油机的主要基本参数　显得相当重要。　名称　数值　模态分析技术是现代机械结构动态设计和分　气缸直径Ｄ／ｍｍ　析的基础，是近年来迅速发展起来的分析结构系统　活塞行程Ｓ／ｍｍ　动态特性的强有力工具¨Ｊ。模态分析分为计算模　曲柄半径Ｒ／ｍｍ　态分析和试验模态分析。计算模态分析从机械、结　加　。　加　连杆长度Ｌ／ｍｍ　５　构的几何特性与材料特性等原始参数出发，采用有　曲柄半径与连杆长度比Ａ＝Ｒ／Ｌ　一　４　限元方法得到系统的离散数学模型，即质量矩阵和　活塞组质量ｍｐ／ｋｇ　刚度矩阵，然后通过求解特征值问题，确定系统的　’活塞面积ｒ／ｍｍ　模态参数。其突出优点是可以在设计前期根据设　额定功率Ｎ　／Ｋｗ　计图纸来预测产品的动态性能，分析振动、噪声的　额定转速ｎ／（ｒ・ｍｉｎｎ　）　强度及其他动态响应，并可在图纸设计阶段，通过　曲轴旋转角速度　／（ｒａｄ・ｓ　）　改变结构形状，以消除或抑制这些不良响应。　曲柄销中心的切向速度Ｒｗ　／（ｃｍ・ｓＩ１）　曲柄销中心的切向加速度Ｒｗ　／（ｃｍ・ｓＩ２）　活塞平均速度ｃ　／（ｍ・ｓ　）　最大爆发压力Ｐｚ／ＭＰａ　２００７年９月２１日收到　江苏省”青蓝工程”优秀青年骨干　教师培养项目（１６１２２０６０５）、　考虑到Ｘ２１０５ｃ一１型柴油机的曲轴是一异形　江苏科技大学人才资助项目（２００５ＪＤ００９Ｊ）、　长轴零件，具有轴线不连续、长径比大、结构复杂等　江苏省教育厅高校自然科学基金项目（０３ＫＪＤ４３０００９）资助　特点，进行有限元模态分析时，为了保证计算结果　第一作者简介：胡振（１９７３一），男，工程师。研究方向：船舶动　能真实的反映曲轴的模态特性，首先利用ＡＮＳＹＳ的　力装置设计与制造。　ＡＰＤＬ语言建立整根曲轴的三维实体几何模型；在　　姗维普资讯 http://www.cqvip.com

科学技术与工程　８卷　对三维实体进行网格划分时，通过指定单元尺寸或　在某些部位（如轴颈圆角及凸台处）设定线的分段　数来进行局部细分，以控制不良单元的产生。整根　曲轴有限元模型共包括２２　４３９个节点，１０１　２４０个８　为了研究曲轴在发动机运转时是否会发生共振　２模态结果分析　节点６面体ＳＯＬＩＤ４５单元（图１）。　图１　曲轴整体有限无模型　图２第一阶非零振型（弯曲振型）　图４第三阶非零振型（扭转振型）　的问题，需要计算曲轴的固有频率。在试验测试时，　通常采用弹性绳将曲轴悬挂起来，使其处于自由状　态；在有限元分析时，为模拟该自由状态，不附加任何　约束与力来计算曲轴的自由模态。一般来说，引起发　动机共振的，主要是较低的阶次频率。因此，在利用　ＡＮＳＹＳ求解，以及扩展模态时，只需扩展并提取曲轴　的前２０阶谐次。三维结构在元约束边界条件下的模　态分析，计算出来的前６阶模态接近于０，是所谓的刚　体模态。因此，真正有意义的模态应该是从第七阶开　始的模态。利用ＡＮＳＹＳ中的Ｂｌｏｃｋ　Ｌａｎｃｚｏｓ法计算了　曲轴的２０阶谐次并提取了曲轴的前七阶非零模态。　表２给出了曲轴前七阶非零模态的频率，图２至图８　为前七阶非零模态的振型图。　图３第二阶非零振型（弯曲振型）　图５第四阶非零振型（扭曲振型）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２期　胡振，等：柴油机曲轴模态的三维有限元分析　４９３　图６第五阶非零振型（扭曲振型）　图７第六阶非零振型（弯扭振型）　表２　曲轴前七阶非零模态参数　非零模态　ｌ　２　３　４　５　６　７　与参数接近的发动机的曲轴所进行的模态试　验结果进行比较　Ｊ，可以看出Ｘ２１０５Ｃ－－１型柴油机　阶数　曲轴的有限元模态计算结果与它们相近，各阶振型　也大致接近。因此曲轴的模态计算较为真实地反　映了曲轴的固有特性，所建立的有限元模型正确，　为动态响应分析和结构动力修改提供了进一步分　析的动力学模型。　频率／Ｈｚ　６３７．０８　７６８．８２　８６０．９２　１　２０４．８　１　４１１．６　１　６７６．４　１　８８９．８　３结论　在不考虑约束的情况下，对Ｘ２１０５Ｃ－－１型柴油　机曲轴在自由模态下的固有频率特性进行了有限　元分析，所计算的模态包含了扭转振动、弯曲振动　和纵向振动。主要结论如下：　（１）该曲轴的模态密集，而且各谐次的频率范　图８第七阶非零振型（弯曲振型）　围宽，从６３７．０８—１　８８９．８　Ｈｚ都存在着不同振型的　由表２、图２至图８可以看到，在曲轴的前七阶　非零谐次中，其最低频率为６３７．０８　Ｈｚ。随着谐次　的增大，其频率值也相应增加。考虑到该发动机的　转速范围为６００—１　５００　ｒ／ｒａｉｎ，其基频在１　０００　Ｈｚ　以内，曲轴在按固有频率振动时，主轴颈、连杆轴颈　的变形很小。因此，发生共振的可能性主要在前三　阶非零模态。通过模态分析，可以准确地确定振型　节点的位置，并能快速地分析曲轴尺寸、平衡块大　小与布置、飞轮、曲轴材料等因素对轴系动态特性　的影响，这对产品改进和产品开发选择较优的轴系　参数是很有帮助的。　振动，对于发动机工作过程中所产生的宽带激励来　说，仍然可能引起曲轴的共振。但主要是防止前ｉ　阶非零模态；　（２）曲轴的模态频率能够用来预测发动机各部　件之间的动态干扰的可能性，通过合理的结构设计　可以避开共振频率；　（３）模态计算较为真实地反映了ｘ２１０５Ｃ一１型　柴油机曲轴的固有特性，所建立的有限元模型正　确，可为动态响应分析和结构动力修改提供了进一　步分析的动力学模型。　（下转第５０２页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

科学技术与工程　８卷　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＩＥＥＥ－１３９４　ｔｏ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｉｍａｇｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉ．ｘｉａｎ　，ＦＥＮＧ　Ｑｉ　，ＷＥＩ　Ｊｕｎ　，ＷＥＮＧ　Ｄｏｎｇ．ｓｈａｎ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｒ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９，Ｒ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｆｉｖｅ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｂｕｓｅｓ　ａｒｅ　ｉｆｒｓｔｌｙ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｆｔｅｒ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ｃａｎｄｉｄａｔｅ　ｂｕｓｅｓ，ＩＥＥＥ－１　３９４　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｂｕｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｍ－　ｅｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＩＥＥＥ－１３９４　ｔｏ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　．ＩＥＥＥ－１　３９４　龇　ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　龇　ｊ屯　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ　．址　．Ｓ屯　ｉｍａｇｅ　址ｊ屯舢　．址　（上接第４９３页）　２韩松涛，郝志勇．６１０２Ｂ型柴油机曲轴三维有限元模态分析与试　参考文献　验研究．农业机械学报，２００１；３２（４）：７４—７７　１　张德文．从约束试验数据提取自由结构模态参数．强度与环境　２００５；３２（１）：１０—１５　３胡军伟，林运，付先龙．发动机机体自由模态分析及试验验证　柴油机设计与制造，２００６；１４（２）：２３—２６　Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　３Ｄ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ａ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ＨＵ　Ｚｈｅｎ，ＭＡ　Ｚｈｅ．ｓｈｕ　，ＦＥＮＧ　Ｇｕｏ．ｚｅｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏｒｐ．，Ｗｕｃｈａｎｇ　Ｓｈｉｐｙａｒｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００６０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２００３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｘ２１０５ｃ一１　ｄｉｅｓｅｌ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｉｎｉｆｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｒｅｔｏｒｔｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｇｎｉｔｕｄｉｎａｌ　ｖｉｂｒａ—　ｔｉｏｎ．Ｆｏｒ　Ｘ２１０５Ｃ一１　ｄｉｅｓｅｌ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．ｔｈｅ　ｆｏｒｅｇｏｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ｎｏｎ－ｚｅｒｏ　ｍｏｄａｌ　ｍａｙ　ｃａｕｓｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅ－　ｓｕｉｔｓ　ｒｅｆｌｅｃｔ　Ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｘ２１０５Ｃ－－１　ｄｉｅｓｅｌ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｕｎｄｅｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔＯ　ａｎａｌｙｚｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｉｉｃａｔｉｏｎ．ｆ　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ