基于虚拟技术的柴油机机体低振动设计研究

摘要

柴油机良好的动力性、燃油经济性以及排放特性使其在车辆上得到了越来越广泛的应用。然而，随着柴油机功率密度的提高，柴油机的振动变得剧烈，使其应用范围受到限制。论文结合多体动力学分析、有限元分析及形貌优化设计等方法，探讨预测柴油机振动水平的方法和降低柴油机整机振动烈度的结构改进措施。
　　 论文以某直列六缸柴油机为研究对象，首先，采用Pro/ENGINEER软件，对柴油机主要零部件进行装配建模，分析柴油机仿真模型的几何参数设计的合理性。通过网格划分建立主要零部件的有限元分析模型，由有限元模型得到曲轴、机体与气缸盖等的模态中性文件。对所建立的柔性体动力学柴油机仿真模型施加正确约束与燃烧爆发压力驱动，通过机构动力学仿真分析得到运动机构对机体的主要机械激励力，为有限元动力响应分析奠定基础。
　　 其次，建立柴油机动力响应分析的有限元计算模型。对柴油机主要结构部件机体和曲轴进行有限元计算模态分析，实验模态分析结果验证了有限元计算模态分析结果的正确性，也证明了所建立的动力响应分析模型的有效性。通过合理施加边界条件、燃烧爆发压力载荷与机构动力学分析所得机械激励力，采用有限元动力响应分析方法计算出柴油机表面振动响应量。柴油机整机振动烈度测试结果表明了仿真分析结果的正确性，也表明了有限元动力响应分析方法在复杂的柴油机结构动力响应分析中的有效性。
　　 最后，以某直列四缸柴油机为研究对象，采用形貌优化方法对该机体进行了低振动结构改进设计，尤其以振动较大的机体裙部为设计目标。改进设计前后的振动烈度计算结果对比表明，改进后的柴油机机体振动，特别是柴油机机体裙部的振动水平得到了明显的改善，实现了机体的低振动设计目标。