基于精确动态刚度矩阵法的内燃机轴系扭转、纵向及弯曲三维耦合振动研究

论文摘要

振动问题是内燃机的一种主要的噪声和危害来源。为了提高内燃机的可靠性,降低内燃机的工作噪声,改善内燃机车辆的舒适性,现代内燃机设计中提出了NVH（Noise,Vibration & Harshness）的概念。内燃机轴系振动是内燃机各种振动中的主要振动之一,其振动形式是较复杂的三维空间振动,主要包括同时耦合发生的扭转、纵向和弯曲振动。内燃机轴系振动的研究,比如振动计算与试验、减振避振等,都已取得了较大的进步。可是直到最近,这些研究仍局限于一种或两种振动形式的独立分析。本论文以动态刚度矩阵和精细时程积分法为基础,分析了内燃机轴系的三维耦合振动形式。 本文首先推导了空间连续梁结构在扭转、纵向、弯曲（考虑剪切变形和转动惯量影响）振动时,两端状态向量之间的传递矩阵。使用变换关系将该矩阵转换为空间连续梁单元的动态刚度矩阵,该刚度矩阵能够正确地描述空间连续梁单元的物理模型。使用空间连续梁单元可以建立内燃机轴系的计算模型,按照通用有限元程序总刚度矩阵的组装方法既可组成系统的总动态刚度矩阵。在自由振动求解时,为了克服插值搜根法等自由振动固有频率数值计算方法容易“丢根”、收敛速度慢的缺点,本文选用了Williams-Wittrick方法（W-W法）。该方法可以有效地求出任意频率范围内的所有固有频率（包括重特征根）。结合传统的振动理论,推导了空间结构自由振动固有振型的计算方法。本方法可以较准确地计算空间三维框架结构和多缸发动机曲轴系自由振动的固有频率和固有振型问题。 第二,以流体动力润滑理论为基础,对径向滑动轴承和推力轴承的动态特性进行分析。结合有限元方法,分析了轴承承载能力的计算方法和过程。用四节点平面等参单元将轴承的承载区进行划分,选取Gümbel边界条件,求解Reynolds方程,计算出径向滑动轴承的周向和轴向的压力分布。以此为基础,计算出径向滑动轴承的刚度系数和阻尼系数等动态特性参数。 第三,进行内燃机轴系强迫振动计算。分析了轴系中各部件的单元动态刚度矩阵,系统总动态刚度矩阵的组装方法,在相应的频率下从总动态刚度矩阵中求出系统的总质量矩阵和总刚度矩阵的方法以及内燃机轴系强迫振动的主要激励来源等。通过上述分析,建立了内燃机轴系强迫振动的数学模型。比较各种时域振动分析方法,选择使用精细时程积分法进行系统的时域强迫振动计算。通过算例检验,本方法有较高的计算精度和较小的计算量。 第四,在上述计算方法的基础上,以6110柴油机为实例进行了相应的分析计算。主要分析了多种状态的轴系自由振动,油膜支承的动态特性参数及其对系统自由振动固

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 内燃机轴系振动的各种形式及其危害
• 1.2.1 扭转振动
• 1.2.2 轴向（纵向）振动
• 1.2.3 横向（回旋）振动
• 1.3 国内外研究综述
• 1.3.1 扭转轴向耦合振动的研究
• 1.3.2 扭转弯曲耦合振动的研究
• 1.3.3 曲轴三维振动的研究
• 1.3.4 研究中待解决的问题
• 1.4 论文研究目标
• 1.5 论文布局
• 2 轴系简化模型及单元的动态刚度矩阵
• 2.1 引言
• 2.1.1 内燃机轴系计算模型
• 2.1.2 连续梁单元模型的研究
• 2.2 扭转振动轴段的传递矩阵
• 2.3 纵向振动轴段的传递矩阵
• 2.4 弯曲振动轴段的传递矩阵
• 2.4.1 x-y平面内轴段弯曲振动的传递矩阵
• 2.4.2 x-z平面内轴段弯曲振动的传递矩阵
• 2.5 连续梁单元的动态刚度矩阵
• 2.6 坐标变换
• 2.6.1 从主坐标系到几何坐标系的变换
• 2.6.2 从几何坐标系到主惯性坐标系的变换
• 2.6.3 从主坐标系到主惯性坐标系的变换
• 2.7 算例研究
• 2.7.1 单元刚度矩阵检验
• 2.7.2 悬臂梁的固有频率计算
• 2.8 小结
• 3 系统自由振动的解法
• 3.1 引言
• 3.2 W-W方法
• 3.2.1 W-W方法的基本原理
• 3.2.2 W-W法的具体分析
• 3.3 自由振动振型的解法
• 3.3.1 扭转振动
• 3.3.2 纵向振动
• 3.3.3 弯曲振动
• 3.3.4 整体自由振动的振型
• 3.4 数值算例
• 3.4.1 两端固支Timoshenko梁的自由振动计算
• 3.4.2 悬臂Timoshenko梁的固有振型计算
• 3.4.3 三层空间桁架结构的自由振动计算
• 3.4.4 单曲拐的自由振动计算
• 3.4.5 直列四缸发动机曲轴自由振动计算
• 3.5 小结
• 4 内燃机轴系中轴承系统的分析
• 4.1 引言
• 4.2 流体动压径向滑动轴承
• 4.2.1 内燃机轴系中实际轴承的雷诺方程
• 4.2.2 固定瓦径向滑动轴承的动力系数计算
• 4.3 流体动压径向滑动轴承计算算例
• 4.3.1 短轴承的压力分布
• 4.3.2 径向圆轴承的动态特性
• 4.4 流体动压推力轴承的数学模型
• 4.5 小结
• 5 内燃机曲轴系强迫振动计算
• 5.1 引言
• 5.2 整体系统中的各种单元模型
• 5.2.1 空间连续梁单元
• 5.2.2 集中质量单元
• 5.2.3 径向滑动轴承
• 5.2.4 推力轴承
• 5.2.5 节点上作用的阻尼力
• 5.3 内燃机轴系振动的激励
• 5.3.1 激励的来源
• 5.3.2 气缸内气体压力变化产生激励的简谐分析
• 5.3.3 往复质量产生的激振力
• 5.3.4 运动部件重力产生的激振力
• 5.4 建立内燃机轴系强迫振动方程
• 5.5 时域精细积分法
• 5.6 数值算例
• 5.6.1 固支梁受正弦激励的稳态时域响应
• 5.6.2 单曲拐在正弦激励下的稳态时域响应
• 5.7 小结
• 6 6110柴油机曲轴系振动计算
• 6.1 引言
• 6.2 集中质量模型算例——6110柴油机曲轴扭振计算
• 6.2.1 自由扭转振动计算
• 6.2.2 强迫扭转振动计算
• 6.3 连续梁模型算例
• 6.3.1 6110柴油机主轴承的动态特性分析
• 6.3.2 6110柴油机曲轴系自由振动分析
• 6.3.3 6110柴油机曲轴系强迫振动时域响应分析
• 6.4 6110柴油机曲轴系扭转振动测量
• 6.5 小结
• 7 内燃机轴系扭转减振器设计研究初探
• 7.1 引言
• 7.2 减振器的初步设计
• 7.2.1 三、四质量系统的建立
• 7.2.2 三质量系统强迫振动第一质量振幅
• 7.2.3 四质量系统有阻尼强迫振动第二质量振幅
• 7.2.4 确定“最佳定调比”
• 7.3 应用实例
• 7.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录A VA-10振动分析仪通讯程序的实现及在振动测试中的应用
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间参加的科研、获奖情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书