搜索Solidworks发动机缸盖的三维造型及模态分析
2013-05-21 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
应用大型二维软件Solidworks对发动机缸盖进行了工程设计,指出了其中的关键技术。通过进行缸盖的模态分析,找出缸盖振动的原因,并在此基础上提出了改进方案,较好地解决了缸盖的振动和噪声问题。
作者: 刘炳新*褚祥志*席同金 来源: 万方数据
关键字: 缸盖 模态 Solidworks 振动
0引言
发动机是直接影响车辆可靠性等的动力部件,随着科学技术的发展,其设计时间已经大大缩短,设计质量和性能不断提高。作为发动机中结构最复杂、工作条件最恶劣的零件之一,缸盖的设计尤其关键,其设计方法已由传统的经验设计发展为计算机辅助设计。对于缸盖的设计,很重要的一点是要避免工作中的振动,因此模态分析是当今设计人员的一个工作重点。本文基于Solidworks,对某缸盖进行了三维造型,通过进行缸盖的模态分析,找出缸盖振动的原因,并在此基础上提出了改进方案。
1三维造型
图1为基于Solidwork;的某四缸发动机的三维造型图,其中关键技术有以下几点。
(1)毛坯制作
这步包含毛坯生长、孔拉伸、毛坯镜像等,比较复杂关键的是燃烧室型腔的造型,要注意避免特征之间的相互干涉。
(2)水道孔以及螺栓孔的造型
包括拉伸、切除、放样等特征造型。要注意的是,由于孔较多,需要不断变换基准,基准面的选择很重要。
(3)其它特征
其它诸如火花塞孔、倒角等特征,所用方法也是上述几种,但要注意的是,为使后面分析方便,对于不影响分析结果的特征(如倒角),可以适当简化。
2模态分析
模态分析已经成为研究振动的一个重要方法,其理论基础已经很成熟。随着计算机的发展,利用有限单元法进行模态分析,对研究缸盖的振动很有意义。主要是通过求得缸盖各阶模态参数,从而评价其动态特性是否符合要求,校验理论计算结果的准确性,为设计提供支持。
本文的分析基于图1的二维造型,研究没有阻尼的系统的自由振动,即得出缸盖的各阶固有频率。主要步骤有:建立有限元模型;定义模型的属性和约束;定义输出控制文件并求解。
2.1有限元模型
单元类型采用实体单元,网格划分采用疏密相间方式,最后的节点总数为59 362,单元总数为37 173。
模型的材料以铝合金ZL104为主要分析对象,并与其它材料进行比较。选取气缸盖的材料参数为:弹性模量E=69 GPa,泊松比? = 0. 34,材料抗拉强度σb=145 MPa,抗压强度,σc>430MPa,缸内最大爆发压力6MPa,螺栓预紧力40kN,材料密度P=2.7 x10的负9次方/mm3,材料的线膨胀系数β=23 x 10负6次方/℃,导热系数203mW/(mm·K) 。
约束定义在图2中的前端面上,6个自由度进行全约束。
2.2结果分析
文中只给出前4阶模态的分析,高阶模态一般没有工程意义。四阶模态的频率在5742.62-6837. 57Hz之间。一阶模态的应力云图如图3所示,应变云图如图4所示,振型图如图5所示。其它阶云图未给出。
可以得出,缸盖的一阶固有频率为5 742.62H z,振型最大相对位移处位于两端,最大相对位移为0. 277mm;二阶固有频率为5 956. 67Hz,振型最大相对位移处仍位于两端,最大相对位移为0. 304mm;三阶固有频率为6 277.27Hz,振型最大相对位移值为0. 33mm;四阶固有频率为6 837.57Hz,振型为二阶弯曲,最大位移处位于缸盖后端,相对位移值为0. 37mm.
3结果比较
对于缸盖振动产生的噪声,控制的最好方法就是减小表面的振动响应。提高缸盖刚度会使固有频率提高,同时也会减少振动响应。一般地,对于缸盖而言,改变其固有频率的方法有改变材料特性、增加厚度、结构重新设计和加筋板等。本文从缸盖材料方面进行了初步研究。
可以做缸盖的材料主要有铸铁、钢、铝合金等材料,其特性如表l所示。
图6是对这3种材料所做的模态分析,可以看出,几种材料中铝合金的固有频率最高,钢的次之,铸铁的最小,但同时钢的密度较铸铁要大,因此用钢材代替铸铁材料的一个弊端是使得缸盖重量增加。
4结论
本文简要论述了如何应用国际上流行的通用三维软件SolidWorks,对发动机缸盖进行三维造型;在该模型的基础上进行了缸盖的模态分析,根据分析结果找出了缸盖振动的主要原因及最大振型发生位置;对几种不同材料比较表明,可以通过改变材料来改变缸盖的固有频率,减少振动。
缸盖的振动问题是一个复杂的系统问题,还需要对发动机甚至整个车加以深人系统的研究与反复的实践。
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