山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 石亦琨 蘇鐵熊 苗會(huì) 李坤

1 引言

氣缸套作為內(nèi)燃機(jī)的重要部件，不僅與缸蓋、活塞、活塞環(huán)共同形成密閉的燃燒室（燃燒室是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間），而且對(duì)活塞的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并與活塞環(huán)組形成內(nèi)燃機(jī)中條件最惡劣的摩擦副之一，其性能的好壞對(duì)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用[1-5]。

本文以某型號(hào)柴油機(jī)的缸套為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)其頻率、振型和最大變形量進(jìn)行了分析，為缸套的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

2 缸套有限元模型建立

2.1 實(shí)體模型的建立

缸套采用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，為了更加準(zhǔn)確地對(duì)缸套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，保留了缸套的所有細(xì)節(jié)，缸套的三維模型如圖1所示。

圖1 缸套三維模型

2.2 有限元模型的建立

將缸套的三維實(shí)體模型導(dǎo)入前處理軟件ANSA中，對(duì)其進(jìn)行材料的設(shè)定和邊界條件的施加。首先在ANSA軟件中對(duì)導(dǎo)入的模型存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成之后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文為了研究無約束和有約束狀態(tài)下缸套的模態(tài)分析，在ANSA中對(duì)缸套的模型進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定和邊界條件的施加，其中缸套采用SOLID185六面體單元，單元數(shù)為2256個(gè)。缸套的材料選用 40CrMoAL，泊松比 0.28，密度7720kg/m3，彈性模量20300Mpa。缸套的有限元模型如圖2所示。

圖2 缸套的有限元模型

3 缸套的模態(tài)分析

分塊Lanczos模態(tài)法具有計(jì)算精度高、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用分塊Lanczos模態(tài)法對(duì)缸套進(jìn)行6階模態(tài)分析。

3.1 無約束模態(tài)分析

缸套的無約束模態(tài)也就是自由模態(tài)，自由模態(tài)下缸套具有六階剛體模態(tài)，模態(tài)分析求解的結(jié)果中前六階缸套的固有頻率為0或接近于0，其實(shí)第七階才是真正意義上的第一階固有頻率。

本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)缸套進(jìn)行模態(tài)分析，并提取了前六階的固有頻率和最大變形量。缸套前四階的模態(tài)振型如圖3所示，缸套自由模態(tài)下前六階的固有頻率和最大變形量由表1給出。從圖表中可以看出，缸套在自由模態(tài)下，缸套的頂端和低端主要受到徑向的彎曲振動(dòng)，而軸向振動(dòng)卻很小。

圖3 無約束模態(tài)下缸套的振型

表1 6階無約束模態(tài)的固有頻率和最大變形量

3.2 有約束模態(tài)分析

柴油機(jī)在正常工作時(shí)，缸套不僅承受燃?xì)馊紵a(chǎn)生的劇烈的熱負(fù)荷及沖擊性機(jī)械載荷，而且還激起機(jī)體對(duì)其的軸向約束作用。因此本文針對(duì)缸套與機(jī)體的接觸面施加了軸向約束，對(duì)缸套在約束的情況下進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算，計(jì)算所得前四階有約束模態(tài)振型如圖4所示，前六階的固有頻率和最大變形量如表2所示。

圖4 有約束模態(tài)下缸套的振型

表2 6階有約束模態(tài)的固有頻率和最大變形量

從圖表中可以看出，缸套在有約束模態(tài)下，缸套軸向振動(dòng)很小，表現(xiàn)不是很明顯，而缸套的頂端和低端在徑向方向上的彎曲振動(dòng)較軸向明顯，而且最大變形量隨著階次的增大而表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件對(duì)缸套在自由模態(tài)和有約束模態(tài)下進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示：缸套在模態(tài)分析過程中發(fā)生徑向彎曲振動(dòng)，而且彎曲振動(dòng)是主要振動(dòng)。因此，在對(duì)缸套優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮柴油機(jī)工作時(shí)對(duì)缸套的徑向彎曲造成的失圓現(xiàn)象。

[1]王虎.內(nèi)燃機(jī)缸套失圓研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[2]趙斌.基于有限元技術(shù)氣缸套的模態(tài)分析與可靠性優(yōu)化[J].壓縮機(jī)技術(shù),2006,05:8-11.

[3]王科富,利桂梅,陳樹勛.柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析和模態(tài)測(cè)試[J].裝備制造技術(shù),2014,01:112-114+130.

[4]張?jiān)齐?陳光雄.鋼質(zhì)薄壁缸套的模態(tài)分析[J].內(nèi)燃機(jī),1998,05:22-24.