提高柴油机机体刚度的试验模态研究

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试验模态分析，由于它的实用性，以及解决工程中实际振动问题的能力，已得到迅速发展，试验模态分析在柴油机机体上的应用能够改变机体结构设计方法，即由经验、类比和静态设计方法为动态、优化设计方法日。通过试验模态分析可以了解机体的动态特陛，发现机体的薄弱部位，进而提出优化措施。采用试验模态分析p功 去，对494柴油机机体结构进行了试验模态分析，获得了机体在-定频率范围内的动态特陛，发现机体整体刚度偏小，尤其是曲轴孔及气缸体两端面局部振动较大冈0度不足，为此提出了通过封闭机体前端主轴承孔 匕 的孔，改变孔的形状；增加孑L周围的壁 孽同时改变机Il捌气侧加强筋的布置与尺寸的方法来提高机体刚度的优化措施，并对改进后的机体进行了试验漠态分析，试验结果表明机体刚度有了提高且动态特陛有所改善，说明机体结构的改进措施有效。

2试验设备与方案2.1试验设备试验用到的主要仪器，如表1所示。

表 1试验用主要仪器Tab.1 The Equipment of the Modal Test2.2试验方法试验件为494柴油机机体。因试验无法采用原装支承，所以为了试验方便采用了悬挂式自由支承方式，即：将整个机体用弹性绳吊挂起来 ，弹性绳通过两个紧固螺栓与机体气缸体在上表面连接，机体曲轴箱部分在下，整个机体竖直悬挂，使机体处于自由-自由”状态(此时，弹性绳的刚度约为8200N/m，且该支撑系统的固有频率小于5Hz，远低于机体的第-阶固有频率)。然后用力锤，对每个测点以激励，得出单点响应信号(其中响应点位置为第84号测点的-y方向，加速度传感器就固定在此测点的表面，如来稿日期：2012-06-14作者简介：王 凯，(1988-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，主要研究方向：内燃机结构强度；王 忠，(1961-)，男，江苏镇江人，教授，博士，主要研究方向：发动机结构强度分析第4期 王 凯等：提高柴油机机体刚度的试验模态研究 221图3所示。)将信号经过 A/D转换器进行采样后输入计算机，再经快速傅里叶(FFTr)变换，计算出激励点与响应点的传递函数。

分析频段的选取，首先要高于被试件实际工作中可能受到的激振力的频带 ，其次，还要考虑到本试验结果还要用来后续的模态综合分析，因此为了取得更多的模态和更高的模态精度，可以把试验模态频段适当放宽，本次试验选(0～2000)Hz作为分析频段。

最后，将各测点的激励和响应信号通过电荷放大器放大后输入SD-380动态分析仪，由动态分析仪处理得到(0～2000)Hz分析频段内的传递函数，每个测点锤击五次，经线性平均后再通过IEEE-488接口将各测点的传递函数输入计算机中存盘，供STAR5.0系统调用。测试框图，如图 1所示。

图 1模态测试框图Fig.1 The Testing Figure of Modal Testing2.3试验方案试验时，要综合考虑反应机体特征和测点均匀布置的原则。

试验在原机体494柴油机机体上布置了375个测点，其中1-123号测点从机体曲轴箱往上依次布置在机体排气侧面，其余测点依次按顺序布置在其他面上，直到机体轮廓特征被反应出来；由于机体结构的改变，在改进后的机体上布置了384个测点。找出各测点的坐标后 ，输人计算机软件，在 STAR5.0软件中对各测点连线，最后机体网格化的模型，如图2所示。

图2机体网格Fig.2 The Grid Model of the Engine Block根据传递函数的特性和 STAR模态分析软件的结果，鳃体前十-阶模态进行分析。

3改进前后机体模态分析3.1改进前机体模态分析用单自由度多项式拟合法得到机体前十-阶固有频率，剔除掉悬挂影响后的频率，最终结果，如表2所示。

由表 2可以看出，机体的第-阶固有频率为 670Hz，比-般的四缸机(400Hz左右)高(60～70)%，说明机体总体刚度良好，结构较为合理t ；但原4缸机体在2000Hz频率以内有十-阶模态，整体刚度偏小，机体刚度需要提高。

表2机体前十-阶的固有频率Tab.2 1 1 Steps of Frequency of the Original Engine Block- 般认为高阶模态对柴油机的工作影响很泻1l，故重点分析机体的前三阶模态振型。前三阶机体模态振型，如图3所示。

(a)-阶振型 (b)二阶振型 (e)三阶振型图3原机体振型图Fig.3 The Modal Shape of the Original Engine Block对比图3，由振型图4可知：第-阶振型为机体整体绕 轴的对角对称扭转变形；第二阶振型为机体整体沿z轴的弯曲变形；第三阶振型为曲轴箱绕 轴的对角对称扭转。由振型图可以看出，曲轴箱及气缸体两端面局部振动变化较大，刚度不足。

3.2改进措施(a)改进前 (b)改进后图4机体前端面改进前后对比Fig.4 Comparison of the Structure in the Fmnt of Engine Block BetweenTwo Types of the Engine Block(a)改进前 同 同 同 同 同 同 闩 F (b)改进后图5机体排气侧改进前后加强筋布置对比图Fig.5 Comparison of the Arrangement of the Stiffeners on the ExhaustSide Between Two Types of the Engine Block对原机体的模态分析可以看出：原4缸机体在2000Hz频率222 机械设计与制造No.4Apr.2013以内有十-阶模态，整体刚度偏小，机体刚度需要提高；此外原机体曲轴箱的曲轴孔以及气缸体两端面变形较大，此处刚度也应该得到提高；具体改进方案为：(1)封闭了机体前端主轴承孔上方的孔，改变了孔的形状 ；(2)增加了孔周围的壁厚，壁厚由原来的5mm提高到 8mm；(3)将机体排气侧中下部加强筋，由斜方向改为垂直方向；同时，改变了垂直方向加强筋尺寸，加强筋的垂直长度由原来的40mm变为 45ram，厚度由原来的 15mm变为 30mm，如图4、图5所示。

3.3改进后的机体模态分析剔除掉悬挂影响后的频率，改进后的机体与原机体各阶固有频率比较，如表3所示。改进后机体前三阶振型，如图6所示。

表 3改进后机体与原机体各阶固有频率对比Tab.3 Comparison of the Frequency BetweenTwo Types of the Engine Block工够 上蓐上(a)-阶振型 (b)-阶振型 (c)三阶振型图6改进后机体振型图Fig.6 The Modal Shape of the Optimized Engine Block对比图3，由振型图7可知：第-阶振型为整个机体绕 轴对角对称扭转变形；第二阶振型为整个机体沿z轴的弯曲变形；第i阶振型为机体气缸体部分绕 轴的扭转，曲轴箱沿 轴弯曲。相比与原机体的振型图，可以看出改进后机体的前三阶模态振型与原机体较相似，振动幅度有所减弱，但曲轴箱部分振动仍然剧烈，刚度仍有待提高。

由表 3可知：改进后机体的固有频率在 2000Hz内由原来的十-阶降至九阶，且各阶固有频率有明显的上升，机体在实际使用中受到外界(0～2000)Hz内的激励引起共振变形而被破坏的可能性减小，改进后机体的刚度提高 Ol，这对机体结构强度的改善也明显有利。

4结论(1)封闭主轴承孔上方的孑L，改变孔的形状，增加孔周围的壁厚；改变加强筋的布置，增加加强筋的长度和厚度使得改进前机体在(O-2000)Hz频段内原有的十-阶固有频率减少为九阶固有频率，机体在实际使用中受到外界(O～2000)Hz内的激励引起共振变形而被破坏的可能性减小，改进后机体的刚度提高，机体结构强度得到改善。

(2)改进后机体的第-阶振型以机体绕 轴扭转为主，第二阶以机体沿z轴弯曲为主，第三阶以机体气缸体绕 轴的扭转和曲轴箱沿 轴弯曲为主，这几阶的振型对柴油机的振动影响较大。

(3)改进后的机体模态振型显示，机体曲轴箱部分振动仍然剧烈，此处刚度仍有待提高。