柴油发动机主体结构系统动态特性研究

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工作状态监测仪。作为该项目的子课题，本文对康明斯6BT5.9柴油发动机主体结构系统的动态特性和试验验证进行了系统的研究，得出了理论计算和试验结果相符的结论。
　　 本文首先总结了国内外结构动态特性分析的研究成果。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个建模的根本问题，利用ANSYS软件，建立起了柴油发动机机体、缸盖的有限元计算模型，并分别计算和分析了柴油发动机机体、缸盖盖的自由模态。本文所建的模型解决了前人在运用板、壳等单元建立柴油机主要结构有限元模型时遇到的如何协调精度和规模的难题。
　　 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，本文试图在前人的基础上找到一种能够有效模拟组合结构边界条件的方法，提出用伪材料方法法来处理具有相对运动的子结构，有效的模拟了部件之间的相对运动关系，具有一定的参考价值。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。由于对结构物理、几何特性的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，并结合科学计算软件MATALB编制了一套频域模态参数识别程序，从而获取了柴油发动机机体、缸盖、及曲轴连杆组合结构的模态参数。
　　 根据模态相关性原理，本文对理论计算结果与实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，证明了本文所建立的柴油发动机主要零部件模型的正确性以及结合面接触处理方法的合理性，从而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实验基础。
　　 最后，本文就柴油发动机机体动力响应问题进行了初步的探讨，柴油机动力响应分析是近年柴油机动力分析领域的热点也是难点，为柴油发动机的故障诊断提出了新的思路。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 柴油发动机动态特性研究概况

1.2.1 动态特性研究基本方法与应用

1.2.2 柴油发动机动态特性研究现状

1.3 柴油发动机动态特性研究关键技术

第2章 结构系统动态分析理论

2.1 引言

2.2 模态分析理论

2.3 模态分析技术的应用

2.4 结构动态分析中的有限元方法

2.4.1 有限元法求解思路

2.4.2 载荷移置

2.5 结构动力响应分析

2.6 ANSYS软件介绍

2.6.1 ANSYS分析过程

2.7 本章小结

第3章 柴油发动机机体、缸盖有限元分析

3.1 机体自由模态分析

3.1.1 机体模型的建立

3.1.2 机体有限元模型的网格划分

3.1.3 机体自由模态分析结果

3.2 缸盖自由模态分析

3.2.1 缸盖有限元模型的建立

3.2.2 缸盖有限元计算结果

3.3 本章小结

第4章 装配结构的伪材料方法研究

4.1 引言

4.2 伪材料方法原理研究

4.3 曲轴连杆组合结构动态特性分析

4.3.1 曲轴连杆组合结构实体模型的建立

4.3.2 曲轴连杆组合机构有限元模型的建立

4.3.3 有限元计算结果

4.3.4 模态试验分析

4.3.5 结果分析

4.4 本章小结

第5章 柴油发动机机体、缸盖试验模态分析

5.1 基于MATLAB的模态参数识别程序编制

5.1.1 MATLAB软件简介

5.1.2 模态参数识别程序编制

5.2 模态试验测试系统搭建

5.2.1 支承方式的选定

5.2.2 激振方式的确定

5.2.3 试验频段的选取

5.2.4 测试系统组成

5.3 柴油发动机零部件试验模态分析结果

5.4 模态相关性分析

5.4.1 模态相关性分析基本准则

5.4.2 频率准则分析结果

5.4.3 模态置信准则分析结果

5.5 本章小结

第6章 柴油发动机机体动力响应初步分析

6.1 引言

6.2 机体受到的主要外载荷

6.2.1 气缸内气体燃爆力

6.2.2 主轴承载荷的计算

6.3 有限元动力响应的载荷步

6.4 机体有限元动力响应计算结果及分析

6.4.1 机体速度响应云图

6.4.2 机体加速度响应云图

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文主要工作总结

7.2 本文结论

7.3 展望

参考文献

致谢