某柴油机缸套的模态分析

山西中北大学机械与动力工程学院 石亦琨 苏铁熊 苗会 李坤

1 引言

气缸套作为内燃机的重要部件，不仅与缸盖、活塞、活塞环共同形成密闭的燃烧室（燃烧室是气体压缩、燃烧和膨胀的空间），而且对活塞的高速往复运动起导向作用，并与活塞环组形成内燃机中条件最恶劣的摩擦副之一，其性能的好坏对内燃机整机性能的好坏起着至关重要的作用[1-5]。

本文以某型号柴油机的缸套为研究对象，对其进行模态分析，并对其频率、振型和最大变形量进行了分析，为缸套的设计和优化提供了重要依据。

2 缸套有限元模型建立

2.1 实体模型的建立

缸套采用Pro/E软件进行三维建模，为了更加准确地对缸套的结构进行分析，保留了缸套的所有细节，缸套的三维模型如图1所示。

图1 缸套三维模型

2.2 有限元模型的建立

将缸套的三维实体模型导入前处理软件ANSA中，对其进行材料的设定和边界条件的施加。首先在ANSA软件中对导入的模型存在的缺陷进行修复，修复完成之后对模型进行网格划分。本文为了研究无约束和有约束状态下缸套的模态分析，在ANSA中对缸套的模型进行材料参数的设定和边界条件的施加，其中缸套采用SOLID185六面体单元，单元数为2256个。缸套的材料选用 40CrMoAL，泊松比 0.28，密度7720kg/m3，弹性模量20300Mpa。缸套的有限元模型如图2所示。

图2 缸套的有限元模型

3 缸套的模态分析

分块Lanczos模态法具有计算精度高、计算速度快等优点，因此本文采用分块Lanczos模态法对缸套进行6阶模态分析。

3.1 无约束模态分析

缸套的无约束模态也就是自由模态，自由模态下缸套具有六阶刚体模态，模态分析求解的结果中前六阶缸套的固有频率为0或接近于0，其实第七阶才是真正意义上的第一阶固有频率。

本文采用ANSYS有限元分析软件对缸套进行模态分析，并提取了前六阶的固有频率和最大变形量。缸套前四阶的模态振型如图3所示，缸套自由模态下前六阶的固有频率和最大变形量由表1给出。从图表中可以看出，缸套在自由模态下，缸套的顶端和低端主要受到径向的弯曲振动，而轴向振动却很小。

图3 无约束模态下缸套的振型

表1 6阶无约束模态的固有频率和最大变形量

3.2 有约束模态分析

柴油机在正常工作时，缸套不仅承受燃气燃烧所产生的剧烈的热负荷及冲击性机械载荷，而且还激起机体对其的轴向约束作用。因此本文针对缸套与机体的接触面施加了轴向约束，对缸套在约束的情况下进行了模态计算，计算所得前四阶有约束模态振型如图4所示，前六阶的固有频率和最大变形量如表2所示。

图4 有约束模态下缸套的振型

表2 6阶有约束模态的固有频率和最大变形量

从图表中可以看出，缸套在有约束模态下，缸套轴向振动很小，表现不是很明显，而缸套的顶端和低端在径向方向上的弯曲振动较轴向明显，而且最大变形量随着阶次的增大而表现出先增大后减小的趋势。

4 结论

本文采用ANSYS软件对缸套在自由模态和有约束模态下进行了对比分析。结果显示：缸套在模态分析过程中发生径向弯曲振动，而且弯曲振动是主要振动。因此，在对缸套优化设计时，应考虑柴油机工作时对缸套的径向弯曲造成的失圆现象。

[1]王虎.内燃机缸套失圆研究[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[2]赵斌.基于有限元技术气缸套的模态分析与可靠性优化[J].压缩机技术,2006,05:8-11.

[3]王科富,利桂梅,陈树勋.柴油机缸盖结构有限元模态分析和模态测试[J].装备制造技术,2014,01:112-114+130.

[4]张云电,陈光雄.钢质薄壁缸套的模态分析[J].内燃机,1998,05:22-24.