小型柴油机轴系模态分析及仿真计算研究

论文摘要

曲轴是柴油机中的重要组成部分,其振动是引发内燃机振动的重要因素,它的性能直接影响着柴油机的可靠性和寿命。近年来,随着各种新技术的应用,对内燃机的可靠性和动力性要求越来越高,已有的曲轴轴系振动分析方法越来越难以完全满足内燃机设计的要求。因此,对曲轴轴系振动问题的更精确、更全面的研究显得非常重要。本文以某一小型柴油机曲轴系为研究对象,模态分析理论为基础,分别对曲轴系在自由状态和约束状态下的多种情况进行试验模态分析。结合试验模态分析的结果,探讨曲轴系各种动态特性仿真建模方法的优缺点。并在发动机运转状态下,对联轴器的扭转刚度、负载的转动惯量和活塞连杆与曲柄销等接触处的润滑情况等因素对曲轴系扭转振动的影响进行了研究。本论文的主要工作如下：首先,对某一小型柴油机的曲轴轴系在自由状态和约束状态下的多种情形进行模态敲击试验,并对其进行模态参数识别。将自由状态和约束状态下各种情形的模态试验结果进行对比分析。通过对比分析得出飞轮对曲轴的模态影响较大；主轴承及其润滑油膜的约束支撑刚度对曲轴的弯曲和纵向振动影响较大,对曲轴的扭转振动影响较小。因此可通过对自由状态下带飞轮、皮带轮及活塞连杆曲轴的模态试验来获得运转状态下曲轴的扭转振动模态特性。其次,以柴油机曲轴系实物为原型,在三维建模软件Pro／Engineer中建立曲轴系的三维实体模型；同时,将曲轴系实体模型导入有限元软件ANSYS中建立其自由状态和约束状态下的多种动态特性仿真计算有限元模型,并对其进行计算模态分析。通过与模态试验结果的对比分析,探讨自由状态和约束状态下各种动态特性仿真建模方法的准确性、优缺点及适用情况。最后,在发动机运转状态下,对联轴器扭转刚度、负载转动惯量及活塞连杆与曲柄销接触处的润滑情况等因素对曲轴系扭转振动的影响进行了研究,得出了轴系扭转振动频率随联轴器扭转刚度、负载转动惯量及润滑变化的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 曲轴系振动的主要形式
• 1.2.1 弯曲振动
• 1.2.2 纵向振动
• 1.2.3 扭转振动
• 1.2.4 曲轴振动的综合分析
• 1.3 模态分析技术的国内外研究现状
• 1.3.1 模态分析理论的国内外研究现状
• 1.3.2 模态分析在内燃机轴系的国内外研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 模态分析基本理论
• 2.1 模态分析概述
• 2.2 模态分析理论基础
• 2.2.1 计算模态分析
• 2.2.2 试验模态分析
• 2.3 频响函数
• 2.4 模态参数识别
• 2.4.1 参数识别方法概述
• 2.4.2 参数识别
• 2.5 本章小节
• 第三章 曲轴轴系的试验模态分析
• 3.1 试验的主要工作
• 3.2 试验方案设计
• 3.2.1 激励方法的选择
• 3.2.2 测点、激振点及参考点的布置
• 3.2.3 提高测试数据质量和精度的措施
• 3.3 测试系统组成
• 3.4 自由状态下模态试验分析
• 3.4.1 测试数据处理
• 3.4.2 自由模态试验的测量结果
• 3.4.3 自由模态试验的结果分析
• 3.5 约束状态下模态试验分析
• 3.5.1 约束模态试验的测量结果
• 3.5.2 约束状态下试验结果分析
• 3.6 本章小节
• 第四章 曲轴系动态特性仿真建模方法探讨
• 4.1 有限元法及ANSYS模态分析方法概述
• 4.1.1 有限元法概述
• 4.1.2 ANSYS模态分析方法概述
• 4.2 轴系有限元模型的建立
• 4.3 曲轴模型准确性验证
• 4.4 带飞轮曲轴的动态特性建模方法探讨
• 4.4.1 带飞轮曲轴的建模方法概述
• 4.4.2 飞轮为实体单元的建模方法探讨
• 4.4.3 飞轮为质量单元的建模方法探讨
• 4.4.4 带飞轮曲轴的建模方法总结
• 4.5 带活塞连杆曲轴的动态特性建模方法探讨
• 4.5.1 活塞连杆用实体单元模拟
• 4.5.2 活塞连杆用质量单元模拟
• 4.6 约束状态下建模方法探讨
• 4.6.1 主轴承的约束支撑处理
• 4.6.2 支撑方式的探讨
• 4.6.3 约束状态下活塞连杆的简化
• 4.6.4 模型验证
• 4.7 本章小节
• 第五章 影响轴系扭转振动的若干因素分析
• 5.1 非弹性联轴器扭转刚度对曲轴扭振的影响的探讨
• 5.1.1 台架有限元模型的建立
• 5.1.2 十字轴联轴器扭转刚度的计算
• 5.1.3 不同扭转刚度下的计算结果分析
• 5.1.4 曲轴系扭转振动测试
• 5.2 弹性联轴器扭转刚度对曲轴扭振的影响的探讨
• 5.2.1 弹性联轴器扭转刚度计算
• 5.2.2 不同扭转刚度下的计算结果分析
• 5.3 负载的转动惯量对曲轴扭转振动的影响
• 5.3.1 负载转动惯量的计算与调整
• 5.3.2 计算结果分析
• 5.4 润滑性能对曲轴系扭转振动的影响
• 5.4.1 仿真模型建立
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文