双对置二冲程柴油机结构刚度的测试与仿真研究

王旭兰，任伟，吴波，郝勇刚，李旭东，陈晋兵，高波，赵文韬

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2. 北汽股份汽车研究院，北京 101106；3.颖投信息科技(上海)有限公司，上海 200040)

近年来，我国在双对置二冲程柴油机技术领域取得了长足发展。双对置二冲程柴油机在单位体积功率及单位质量功率上具有明显优势，是实现轻型装备高紧凑、轻量化动力的新途径[1]。但双对置柴油机扁平状结构，进气管、排气管、气缸套及曲轴箱的集成化设计和组合结构协调性设计制约着典型结构的刚强度，具有横向抗弯刚度较弱与连接接触面多的特点，使柴油机整体刚度固有频率降低、阻尼增加，振动形态复杂化，还会造成密封失效等可靠性问题[2-3]。

因此，在双对置二冲程柴油机扁平状组合结构模态的试验测试和有限元数值模拟中，通过改变双对置二冲程柴油机左右箱体与两侧零部件的螺栓预紧力，研究结合面的不同面压对组合结构频率与阻尼的影响规律。分析双对置二冲程柴油机组合结构结合面的处理方法，提出具有较高计算精度的双对置二冲程柴油机组合结构模态仿真方法。基于双对置二冲程柴油机曲轴箱、进排气管的结构参数及材料对结构刚度影响的仿真模拟，探究各种影响因素对组合机构刚度的影响规律。

1 试验

1.1 试验测试装置

由于双对置柴油机有扁平状组合结构的特点，试验采用LMS Test模态测试设备，在机体组合结构上选取的测量自由度数为87个，测取的传递函数为348个，通过锤击法逐点敲击，进行定点测量。图1示出试验所使用的测试设备和待测试件，待测试件包括双对置柴油机曲轴箱、左右两侧进排气管、左右气缸套以及预紧螺栓等。图2示出测点及网格图。

图1 试验所使用的测试设备和待测试件

图2 曲轴箱部件模态测试测点及网格图

1.2 不同螺栓预紧力下结构刚度测试结果分析

采用该试验测试装置开展了螺栓预紧力对结构刚度的影响规律研究。测试方案见表1。通过对组合结构部件螺栓预紧力的调整，识别出曲轴箱在不同预紧力下的模态频率和模态阻尼等参数。图3示出螺栓预紧力对组合结构模态频率、阻尼的影响规律。

表1 不同螺栓预紧力下结构刚度测试方案

图3 螺栓预紧力对组合结构模态频率、阻尼的影响

图3的试验结果表明，预紧力对双对置二冲程柴油机组合结构刚度的影响比较小。随着预紧力的增大，各阶模态频率值均呈现略微增大的趋势，模态频率的最大相对偏差为2.41%。螺栓预紧力对模态阻尼结果的影响稍大。由测试结果可知，在设计预紧力条件下，可以忽略双对置二冲程柴油机中存在的多个结合面对组合结构刚度的影响。

2 计算模型

对于具有复杂接触结合面的组合结构模态仿真，目前主要有以下几种处理方法：1)等效结合部虚拟材料法，在结合面处人为设定一个具有一定厚度的弹性虚拟材料，通过组合体的模态试验测试来修正虚拟材料的质量、密度、弹性模量等材料参数，该仿真模型简便直观，但人为因素影响较大。2)刚度-阻尼结合面等效法，用一组平行的弹簧-阻尼器单元来模拟装配体连接的材料和结构动态响应滞后特性，该方法的物理和理论意义清晰，但是在有限元软件中弹簧和阻尼器的根数和相关参数难以设置。3)薄层单元等效法，采用一个0厚度或非常小厚度的正交各向异性弹性薄层来等效结合面的动态特性，该模型物理意义明确并能很好地和有限元软件结合，但需要大量的试验来确定等效薄层的参数，在工程中应用有一定的局限性[4-10]。

上述3种机械结合面等效方法，计算精度相对较高，但是需要输入的计算参数均需要大量的试验测试来支撑，因此在一些具有较高接触面压，结合面影响并不显著的案例中，工程上通常会采用一些直接忽略结合面影响的仿真方法，其中最常见为Tie连接方法，即对结合面两侧的有限元节点进行全自由度耦合约束。另一种方法为接触连接方法，该方法首先对所有接触对进行非线性接触分析，得到两个物体的实际接触面积，最后对接触部分的单元节点施加Tie绑定约束进行线性模态分析。

为了进一步验证Tie绑定仿真处理方法在双对置柴油机组合结构模态工程应用中的可行性，采用该方法对该柴油机组合结构模态进行了有限元计算分析，有限元模型见图4。

图4 柴油机组合结构有限元计算模型

采用Tie绑定方法处理结合面后，双对置柴油机组合结构第一阶至第四阶自由模态测试结果和计算结果对比见图5至图8，各阶模态振型对应的频率见表2。

对比结果显示,试验模态与计算模态的模态振型吻合度较高，采用绑定方法处理结合面后，组合模态的计算精度足够高。认为采用Tie绑定方法处理结合面的方法可以用来进一步研究双对置柴油机组合结构的模态特性。

图5 组合结构模态第一阶振型

图6 组合结构模态第二阶振型

图7 组合结构模态第三阶振型

图8 组合结构模态第四阶振型

模态阶次试验模态频率/Hz计算模态频率/Hz相对误差/%第一阶359.218348.43-3.149第二阶416.898431.473.342第三阶536.735527.37-1.745第四阶569.678562.33-1.290第五阶634.476649.872.426第六阶905.184878.11-2.991

3 结构形式与材料对组合结构刚度的影响

3.1 进排气管结构参数对组合结构刚度的影响

图9示出进排气管壁厚由初始6 mm分别改为8 mm，10 mm，12 mm时对模态频率的影响。计算结果显示,随着进排气管壁厚的增加，组合结构模态频率有略微增大趋势。进气管壁厚的增加对组合结构模态固有频率的影响较小；排气管壁厚的增加对组合结构第四阶、第六阶模态频率影响相对较大。第四阶模态排气管由初始壁厚改为8 mm，10 mm，12 mm时，模态频率分别增加1.254%，2.132%，2.497%。第六阶模态频率在壁厚8 mm时增加3.580%，在10 mm时增加5.546%，在12 mm时增加6.102%。在此两阶振型中排气管局部振动所占的比例较大，通过增加排气管壁厚可以提高此两阶次组合结构的模态频率，增加组合结构动态刚度，但贡献并不大。

图9 进排气管壁厚对组合结构模态频率的影响

3.2 曲轴箱结构参数对组合结构刚度的影响

图10示出曲轴箱增加筋板位置，图11和图12示出曲轴箱筋板与横侧隔板壁厚对组合结构模态频率的影响。从图11和图12可以看出，随着曲轴箱筋板的增加与横侧隔板厚度的增加，组合结构模态频率呈现显著的增大趋势。特别是筋板的增加对整机组合结构一阶模态频率影响很大，变化率达到25%。因为一阶振型为曲轴箱对角扭曲，此方向没有约束支撑，危害很大，增加筋板可以明显改善模态频率，可以在设计时重点加以考虑。四阶模态几乎没有改变，因为曲轴箱上有加强筋，对第四阶振型的振动起到一定的抑制作用，从图9可知，排气管在四阶模态变化明显，四阶模态振型多为排气管的局部振动。

图10 左右箱体增加筋板位置(下表面相同)

图11 筋板对组合结构模态频率的影响

图12 横侧隔板壁厚对组合结构模态频率的影响

3.3 材料对组合结构刚度的影响

图13和图14示出进排气管与曲轴箱材料对组合结构模态频率的影响。从图13可以看出，进排气管在不改变结构的条件下，材料由铸铁改为铸铝，组

图13 进排气管材料对组合结构模态频率的影响

图14 曲轴箱材料对组合结构模态频率的影响

合结构模态频率呈现明显增加趋势,减轻质量的同时还可增强刚度。图14示出曲轴箱材料由铸铁改为铸铝对组合模态固有频率的影响较小，但使用铝合金材料可以使组合结构整体质量减轻很多。

4 结论

a) 试验测试了不同螺栓预紧力对双对置柴油机结构刚度的影响规律，并验证了模态计算模型的可信度，为双对置二冲程柴油机结构刚度设计、螺栓预紧力的确定提供了理论支撑；

b) 进排气管壁厚的增加对提高双对置二冲程柴油机结构刚度效果并不十分明显，曲轴箱筋板的增加与横侧隔板厚度的增加使模态频率呈现显著的增大趋势，进行曲轴箱工程设计时，适当增加筋板与横侧隔板厚度有利于双对置柴油机组合机构刚度的增加；

c) 进排气管材料由铸铁改为铸铝使组合结构固有频率明显增加，在满足可靠性前提下，既可减轻组合结构的质量，还可强化组合结构的动态刚度；曲轴箱材料的改变对组合模态固有频率的影响较小，为了实现轻量化设计，优先选用铝合金材料。