搜索Solidworks發動機缸蓋的三維造型及模態分析
2013-05-21 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
應用大型二維軟件Solidworks對發動機缸蓋進行了工程設計,指出了其中的關鍵技術。通過進行缸蓋的模態分析,找出缸蓋振動的原因,并在此基礎上提出了改進方案,較好地解決了缸蓋的振動和噪聲問題。
作者: 劉炳新*褚祥志*席同金 來源: 萬方數據
關鍵字: 缸蓋 模態 Solidworks 振動
0引言
發動機是直接影響車輛可靠性等的動力部件,隨著科學技術的發展,其設計時間已經大大縮短,設計質量和性能不斷提高。作為發動機中結構最復雜、工作條件最惡劣的零件之一,缸蓋的設計尤其關鍵,其設計方法已由傳統的經驗設計發展為計算機輔助設計。對于缸蓋的設計,很重要的一點是要避免工作中的振動,因此模態分析是當今設計人員的一個工作重點。本文基于Solidworks,對某缸蓋進行了三維造型,通過進行缸蓋的模態分析,找出缸蓋振動的原因,并在此基礎上提出了改進方案。
1三維造型
圖1為基于Solidwork;的某四缸發動機的三維造型圖,其中關鍵技術有以下幾點。
(1)毛坯制作
這步包含毛坯生長、孔拉伸、毛坯鏡像等,比較復雜關鍵的是燃燒室型腔的造型,要注意避免特征之間的相互干涉。
(2)水道孔以及螺栓孔的造型
包括拉伸、切除、放樣等特征造型。要注意的是,由于孔較多,需要不斷變換基準,基準面的選擇很重要。
(3)其它特征
其它諸如火花塞孔、倒角等特征,所用方法也是上述幾種,但要注意的是,為使后面分析方便,對于不影響分析結果的特征(如倒角),可以適當簡化。
2模態分析
模態分析已經成為研究振動的一個重要方法,其理論基礎已經很成熟。隨著計算機的發展,利用有限單元法進行模態分析,對研究缸蓋的振動很有意義。主要是通過求得缸蓋各階模態參數,從而評價其動態特性是否符合要求,校驗理論計算結果的準確性,為設計提供支持。
本文的分析基于圖1的二維造型,研究沒有阻尼的系統的自由振動,即得出缸蓋的各階固有頻率。主要步驟有:建立有限元模型;定義模型的屬性和約束;定義輸出控制文件并求解。
2.1有限元模型
單元類型采用實體單元,網格劃分采用疏密相間方式,最后的節點總數為59 362,單元總數為37 173。
模型的材料以鋁合金ZL104為主要分析對象,并與其它材料進行比較。選取氣缸蓋的材料參數為:彈性模量E=69 GPa,泊松比? = 0. 34,材料抗拉強度σb=145 MPa,抗壓強度,σc>430MPa,缸內最大爆發壓力6MPa,螺栓預緊力40kN,材料密度P=2.7 x10的負9次方/mm3,材料的線膨脹系數β=23 x 10負6次方/℃,導熱系數203mW/(mm·K) 。
約束定義在圖2中的前端面上,6個自由度進行全約束。
2.2結果分析
文中只給出前4階模態的分析,高階模態一般沒有工程意義。四階模態的頻率在5742.62-6837. 57Hz之間。一階模態的應力云圖如圖3所示,應變云圖如圖4所示,振型圖如圖5所示。其它階云圖未給出。
可以得出,缸蓋的一階固有頻率為5 742.62H z,振型最大相對位移處位于兩端,最大相對位移為0. 277mm;二階固有頻率為5 956. 67Hz,振型最大相對位移處仍位于兩端,最大相對位移為0. 304mm;三階固有頻率為6 277.27Hz,振型最大相對位移值為0. 33mm;四階固有頻率為6 837.57Hz,振型為二階彎曲,最大位移處位于缸蓋后端,相對位移值為0. 37mm.
3結果比較
對于缸蓋振動產生的噪聲,控制的最好方法就是減小表面的振動響應。提高缸蓋剛度會使固有頻率提高,同時也會減少振動響應。一般地,對于缸蓋而言,改變其固有頻率的方法有改變材料特性、增加厚度、結構重新設計和加筋板等。本文從缸蓋材料方面進行了初步研究。
可以做缸蓋的材料主要有鑄鐵、鋼、鋁合金等材料,其特性如表l所示。
圖6是對這3種材料所做的模態分析,可以看出,幾種材料中鋁合金的固有頻率最高,鋼的次之,鑄鐵的最小,但同時鋼的密度較鑄鐵要大,因此用鋼材代替鑄鐵材料的一個弊端是使得缸蓋重量增加。
4結論
本文簡要論述了如何應用國際上流行的通用三維軟件SolidWorks,對發動機缸蓋進行三維造型;在該模型的基礎上進行了缸蓋的模態分析,根據分析結果找出了缸蓋振動的主要原因及最大振型發生位置;對幾種不同材料比較表明,可以通過改變材料來改變缸蓋的固有頻率,減少振動。
缸蓋的振動問題是一個復雜的系統問題,還需要對發動機甚至整個車加以深人系統的研究與反復的實踐。
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