Solidworks發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的三維造型及模態(tài)分析

2013-05-21 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

應(yīng)用大型二維軟件Solidworks對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行了工程設(shè)計(jì),指出了其中的關(guān)鍵技術(shù)。通過進(jìn)行缸蓋的模態(tài)分析,找出缸蓋振動(dòng)的原因,并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案,較好地解決了缸蓋的振動(dòng)和噪聲問題。

作者: 劉炳新*褚祥志*席同金來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 缸蓋模態(tài) Solidworks 振動(dòng)

0引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是直接影響車輛可靠性等的動(dòng)力部件,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其設(shè)計(jì)時(shí)間已經(jīng)大大縮短,設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能不斷提高。作為發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、工作條件最惡劣的零件之一,缸蓋的設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵,其設(shè)計(jì)方法已由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。對于缸蓋的設(shè)計(jì),很重要的一點(diǎn)是要避免工作中的振動(dòng),因此模態(tài)分析是當(dāng)今設(shè)計(jì)人員的一個(gè)工作重點(diǎn)。本文基于Solidworks,對某缸蓋進(jìn)行了三維造型,通過進(jìn)行缸蓋的模態(tài)分析,找出缸蓋振動(dòng)的原因,并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案。

    1三維造型

圖1為基于Solidwork;的某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的三維造型圖,其中關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)。

    (1)毛坯制作

    這步包含毛坯生長、孔拉伸、毛坯鏡像等,比較復(fù)雜關(guān)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(zhǔn),基準(zhǔn)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(jié)果的特征(如倒角),可以適當(dāng)簡化。

    2模態(tài)分析

模態(tài)分析已經(jīng)成為研究振動(dòng)的一個(gè)重要方法,其理論基礎(chǔ)已經(jīng)很成熟。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,利用有限單元法進(jìn)行模態(tài)分析,對研究缸蓋的振動(dòng)很有意義。主要是通過求得缸蓋各階模態(tài)參數(shù),從而評價(jià)其動(dòng)態(tài)特性是否符合要求,校驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,為設(shè)計(jì)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(tǒng)的自由振動(dòng),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。

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    2.1有限元模型

單元類型采用實(shí)體單元,網(wǎng)格劃分采用疏密相間方式,最后的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59 362,單元總數(shù)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(jìn)行比較。選取氣缸蓋的材料參數(shù)為:彈性模量E=69 GPa,泊松比? = 0. 34,材料抗拉強(qiáng)度σb=145 MPa,抗壓強(qiáng)度,σc>430MPa,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力6MPa,螺栓預(yù)緊力40kN,材料密度P=2.7 x10的負(fù)9次方/mm3,材料的線膨脹系數(shù)β=23 x 10負(fù)6次方/℃,導(dǎo)熱系數(shù)203mW/(mm·K) 。

    約束定義在圖2中的前端面上,6個(gè)自由度進(jìn)行全約束。

2.2結(jié)果分析

文中只給出前4階模態(tài)的分析,高階模態(tài)一般沒有工程意義。四階模態(tài)的頻率在5742.62-6837. 57Hz之間。一階模態(tài)的應(yīng)力云圖如圖3所示,應(yīng)變云圖如圖4所示,振型圖如圖5所示。其它階云圖未給出。

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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(jié)果比較

對于缸蓋振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,控制的最好方法就是減小表面的振動(dòng)響應(yīng)。提高缸蓋剛度會(huì)使固有頻率提高,同時(shí)也會(huì)減少振動(dòng)響應(yīng)。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(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和加筋板等。本文從缸蓋材料方面進(jìn)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(tài)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(shí)鋼的密度較鑄鐵要大,因此用鋼材代替鑄鐵材料的一個(gè)弊端是使得缸蓋重量增加。

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    4結(jié)論

本文簡要論述了如何應(yīng)用國際上流行的通用三維軟件SolidWorks,對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行三維造型;在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了缸蓋的模態(tài)分析,根據(jù)分析結(jié)果找出了缸蓋振動(dòng)的主要原因及最大振型發(fā)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(dòng)。

缸蓋的振動(dòng)問題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題,還需要對發(fā)動(dòng)機(jī)甚至整個(gè)車加以深人系統(tǒng)的研究與反復(fù)的實(shí)踐。

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