发动机缸盖模态分析方法研究

金建虎，冀永强，贾丙硕

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

1 发动机缸盖有限元模态分析

1.1 缸盖有限元模型的建立

1.1.1 三维软件建模

根据该汽油机缸盖的实际形状与材料，采用三维设计软件CATIA建立发动机缸盖三维实体模型。建立发动机缸盖模型后，在CATIA中选择一种金属渲染材料，然后设置其密度为2770kg/m3。根据惯性测量，得到该发动机缸盖模型的测试质量为9.04kg，实际测量的缸盖该缸盖的质量为8.78kg误差为3.0%。实际图中的螺栓在有限元中省略，因此受模型简化及材料均匀性的影响，质量存在一定的误差。

1.1.2 将模型导入ANSYS

在CATIA建模后，将其保存为stp格式导入。

1.2 缸盖有限元模型网格划分

ANSYS提供了3种网格划分的方法：自由网格划分、对应网格划分、对应网格及自由网格混合划分。我们采用自动化分网格Automatic选项。

1.3 有限元模态分析结果

前处理阶段完成建模后，再求解模块获得分析结果。在模态分析计算之前，需要对模态最大阶数进行设置。本课题研究缸盖前六阶模态较为合理。然后进行Solution求解。

2 发动机缸盖实验模态分析

2.1 试验模态测试系统

在第二章通过有限元模态分析研究了缸盖的特性，为验证有限元模型分析结果的正确性，本章利用比利时 LMS Testlab振动噪声测试系统采用锤击法实现缸盖试验模态分析，试验方法采用锤击法。

2.2 实验过程及重要步骤

2.2.1 支撑方式

研究希望缸盖的振动是完全自由而不受约束的，这就要求支撑对试件的作用力是一个平衡架构重量的常数[1]。理论与实践表明：当支撑系统的固有频率小于构件的固有频率的1/5时，此时得到的结构模态的固有频率误差很小，其影响可以忽略不记。为满足上述要求，在这次试验中，因为发动机缸盖的刚度较大，体积较小，所以采用弹性绳悬挂的方式。

2.2.2 测点的选择和传感器布置

为提高模态参数的识别精度，必须合理布置激励点和响应点的位置，最大限度地减少模态丢失[2]。实验采用的是美国PCB公司的三向加速度传感器，灵敏度100mv/g测试范围50g，频率范围1-5kHz。

2.3 缸盖模态实验结果分析

2.3.1 实验数据处理与分析

（1）回到 Navigator中将 setion1中的数据添加到Basket里。

（2）进入Model Data Seletion模块进行数据选择，点击switch按钮，进行Reference和Response的转换。

（3）进入PolyMAX模块进行模态定阶和拟合工作，先选择带宽，然后模态参数识别得到稳态图。

2.3.2 实验模态结果

利用Polymax方法对实验采集的频响函数计算分析，得出缸盖的固有频率和振型。缸盖一阶模态固有频率为1483.5Hz，远高于发动机最高激振频率10倍频（1000Hz）左右，避免共振发生。

2.3.3 模态验证

LMS PolyMAX方法进行模态提取，并根据获得的模态参数进行各测量点传递函数的拟合，得到了综合模态模拟图，其结果与实际测量的结果相比较，测试与拟合的传递函数如图1所示，二者基本吻合，说明模态较为完整且具有较高的准确性，对各阶模态进行Mac（modal assurance criterion）分析，如图2可以得到各阶模态的相关性基本5%在以下，说明模态振型的独立性很好。

图1 测试与拟合传递函数

图2 Mac图

2.4 有限元计算与试验结果对比分析

2.4.1 对比结果分析

发动机缸盖有限元模态结果和试验模态结果对比固有频率，误差均在8%以内，满足工程实际应用精度要求，验证了有限元分析结果的可靠性。前五阶振型对，有限元计算与试验振型基本一致，说明有限元模型较好的反应了实际缸盖的振动特性。即前五阶为缸盖整体弯曲、扭转或弯扭组合模态。

3 结论

文章利用CATIA建立缸盖实体模型，采用有限元分析软件ANSYS计算了缸盖模态。通过实验模态分析验证了有限元分析结果的可靠性。基于实验测试的频响函数提取了缸盖实际模态，有限元分析固有频率误差在8%以内，前六阶振型基本一致，验证了有限元分析结果的可靠性。