柴油机曲轴、连杆及组合结构模态分析方法研究

摘要

沈阳军区某部队与东北大学设备诊断工程中心联合研制便携式柴油发动机性能检测诊断仪。作为该项目的子课题,本文对康明斯6BT5.9柴油发动机曲轴连杆部件及其组合结构的模态分析方法和试验验证进行了研究,得出了理论计算和试验结果相符的结论,同时对模态综合方法做了详细的研究。
　　 本文首先总结了国内外结构动态特性分析的研究成果。结构动态特性分析要求对结构系统进行较为准确的数学描述,目前工程中主要利用有限元技术来建立理论计算模型。由于对结构的物理、几何特性假设和对结构约束及联接状态等的简化,使得理论计算模型在模型结构和模型阶次以及模型参数等三个主要方面存在误差,其计算结果的精度是否可靠,这需要实验验证。本文根据模态试验理论搭建了模态试验系统,获取了柴油发动机主要零部件及其组合结构的模态参数。
　　 基于结构模态分析理论,从分析柴油机的组成和工作特点入手,系统地应用了有限元技术,综合考虑了提高计算精度和降低计算规模这些建模的根本问题。利用 ANSYS软件,建立起了曲轴、连杆及其组合结构的有限元模型并分别计算分析其自由模态。柴油发动机是由许多复杂结构形状的零部件组成的系统,如何真实的模拟组合结构的边界条件,是近年来有限元分析的难点所在,传统的方法在处理具有相对运动子结构问题时还不够理想,本文试图找到一种能够有效模拟组合结构边界条件的方法。
　　 本文先用大型有限元软件ANSYS对柴油发动机曲轴、连杆及其组合结构进行实体建模建立;然后根据联接状况运用粘结法模拟连杆螺栓紧联接,分别运用对应节点耦合径向自由度、弹簧-阻尼单元和伪材料方法模拟曲轴连杆联接处的边界条件,并进行有限元分析得出曲轴连杆组合结构的理论模态分析结果。将这几组结果分别与模态实验分析结果进行相关性分析,得出弹簧-阻尼单元和伪材料方法能够较准确的模拟曲轴连杆联接处的边界条件。在对曲轴连杆进行径向自由度耦合和对伪材料与曲轴连杆进行自由度耦合时,要准确的控制相应的节点进行耦合,否则不能正确的模拟边界条件致使得到错误的结果。
　　 根据模态相关性原理,本文对理论计算结果与试验分析结果进行相关性分析。两者相关性分析结果的一致性,并且证明得出弹簧-阻尼单元联接法和伪材料方法能够较准确的模拟曲轴连杆联接处的边界条件,为下一步的柴油发动机动力响应分析、整机的动态特性分析和柴油发动机故障诊断机理奠定了理论和试验基础。
　　 最后,根据柴油发动机润滑油性质和曲轴连杆的联接处的几何特征运用弹簧-阻尼单元联接法和伪材料方法模拟曲轴连杆联接处的边界条件。建立曲轴连杆组合结构模型,进行有限元计算得出曲轴连杆组合结构的固有频率和模态振型。这为柴油发动机的故障诊断提供更可靠的基础。