柴油机曲轴连杆机构模态综合方法研究

论文摘要

沈阳军区某部队委托东北大学设备诊断工程中心研究开发军车柴油发动机性能检测诊断仪。作为此项目的子课题,本文对康明斯6BT5.9柴油发动机曲轴连杆机构的动态特性和试验验证进行了研究,同时对模态综合方法做了详细的研究。柴油发动机是由许多结构形状复杂的零部件组成的系统,欲研究其整机性能,需要分析装配部件的动态特性。本文基于模态综合理论,分析了连杆组合结构特点,利用ANSYS中CMS(部件模态综合)技术,建立起了连杆组合结构的有限元模型,计算分析了其自由模态；基于有限元边界条件处理技术、CMS技术以及前人基于虚拟材料法提出的伪材料法,建立了曲轴连杆机构的有限元模型,计算分析了曲轴连杆机构的自由模态,初步研究了曲轴连杆机构接合面的接触处理方法,并对模态综合方法做出详细的研究。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了一些难题,比如如何协调计算精度和计算规模的关系,本文所建的模型则解决了这些难题。目前工程中主要利用有限元技术来建立理论计算模型。由于对结构物理特性、几何特性的假设以及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参数等方面存在误差,其计算结果的精度需要进行试验验证。本文利用前人结合科学计算软件MATLAB编制的频域模态参数识别程序以及根据模态试验理论搭建的模态试验系统,获取了柴油发动机曲轴、连杆及其组合结构的模态参数。最后,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,证明了本文所建立的柴油发动机曲轴连杆机构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试验基础。同时,针对曲轴连杆机构模态振型相关性较差进行了深刻分析,详细讨论了影响组合结构模态振型相关性的主要因素,并提出了可能的改进方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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
• 1.4 模态综合方法研究概况
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 模态综合理论与边界模拟方法研究
• 2.1 结构动态分析中的有限元法
• 2.2 模态综合理论
• 2.2.1 模态综合法的理论基础
• 2.2.2 模态综合法分类
• 2.2.3 固定界面模态综合法
• 2.3 ANSYS中的CMS技术
• 2.3.1 ANSYS软件简介
• 2.3.2 CMS技术
• 2.4 柴油机曲轴连杆机构边界模拟方法研究
• 2.4.1 连杆螺栓联接模拟
• 2.4.2 曲轴连杆联接模拟
• 2.4.3 连杆过盈配合模拟
• 2.4.4 伪材料方法研究
• 第3章 柴油发动机零部件动态特性计算
• 3.1 曲轴动态特性计算
• 3.1.1 利用ANSYS建立柴油机零部件有限元模型的关键技术
• 3.1.2 曲轴动态特性计算
• 3.2 连杆动态特性计算
• 3.2.1 连杆结构实体建模
• 3.2.2 部件模态综合法连杆动态特性计算
• 3.2.3 粘接法连杆动态特性计算
• 3.2.4 含非线性因素的连杆动态特性计算
• 3.2.5 连杆动态特性计算小结
• 3.3 柴油机曲轴连杆机构的动态特性计算
• 3.3.1 曲轴连杆机构实体建模
• 3.3.2 耦合自由度法曲轴连杆机构动态特性计算
• 3.3.3 部件模态综合法曲轴连杆机构动态特性计算
• 3.3.4 伪材料法曲轴连杆机构动态特性计算
• 3.3.5 曲轴连杆机构动态特性计算小结
• 第4章 柴油发动机零部件试验模态分析
• 4.1 基于MATLAB的模态参数识别程序编制
• 4.1.1 MATLAB软件简介
• 4.1.2 模态参数识别程序编制
• 4.2 模态试验测试系统方案设计
• 4.2.1 支承方式的选定
• 4.2.2 激振方式的确定
• 4.2.3 试验频段的选取
• 4.2.4 测试系统组成
• 4.3 柴油发动机零部件试验模态分析结果
• 第5章 模态相关性分析
• 5.1 相关性概述
• 5.2 模态相关性分析基本准则
• 5.3 相关性结果分析
• 5.3.1 频率准则结果分析
• 5.3.2 模态置信准则结果分析
• 5.3.3 相关性分析小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢