謝鈺

(云南開放大學(xué)，云南昆明650500)

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)對(duì)物料車車架動(dòng)力特性的影響研究

謝鈺

(云南開放大學(xué)，云南昆明650500)

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是物料車眾多激勵(lì)來源之一。本文針對(duì)某型物料車車架，采用SolidEdge軟件建立車架結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，導(dǎo)入大型軟件ANSYS，建立精細(xì)物料車車架模型，基于Block Lanczos法，得到車架的自振特性，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車架動(dòng)力特性的影響，為物料車的動(dòng)力特性設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

物料車車架 固有頻率 振型 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì) 有限元

物料車車架的共振是影響車輛行駛平順性、駕駛舒適性的關(guān)鍵，因此需對(duì)滿足剛度與強(qiáng)度要求的車架的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，探討防止車架發(fā)生共振的措施。對(duì)于車架的動(dòng)力特性的研究亦即模態(tài)分析，通常采用試驗(yàn)法與解析法。

試驗(yàn)法是測量結(jié)構(gòu)上某些點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸入和輸出響應(yīng)，根據(jù)測得的頻響函數(shù)估計(jì)模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)法準(zhǔn)確性較高，但是需要制作模型，成本較高，效率較低。解析法是建立數(shù)值模型，求解系統(tǒng)的特征方程，從而得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。解析法計(jì)算效率高，成本低，也是設(shè)計(jì)階段常用的方法。在得到車架的動(dòng)力特性后，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性，即可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車架動(dòng)力特性影響的研究。

本文以一物料車車架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立精細(xì)的有限元模型，采用Block Lanczos向量迭代法，對(duì)模型動(dòng)力特性進(jìn)行分析，計(jì)算得到車架的固有頻率和相應(yīng)振型。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車架動(dòng)力特性的影響，為物料車的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 有限元模態(tài)分析理論

對(duì)于物料車多自由度彈性結(jié)構(gòu)，求解系統(tǒng)的固有振型與固有頻率即求解下式的廣義特征值問題。

式中:［K］為系統(tǒng)的剛度矩陣;［M］為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;ω為系統(tǒng)的固有頻率;{δM}為系統(tǒng)的固有振型。

式(1)的特征矩陣及特征方程為

2 有限元模型的建立

物料車車架由左右分開的2根縱梁、7根橫梁與3根斜梁組成，屬于邊梁式車架。車架長約21.54 m，寬約2.74 m。車架縱梁為箱型，橫梁、斜梁為槽型。實(shí)際物料車車架工藝復(fù)雜，結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的特點(diǎn)，建立數(shù)值模型時(shí)在不影響振動(dòng)分析結(jié)果的前提下對(duì)物料車車架進(jìn)行了簡化，簡化原則為:①焊接和螺栓連接部位視為剛性連接;②簡化幾何外形，忽略車架上的小圓孔和倒角。

物料車車架的主體結(jié)構(gòu)采用Q345D鋼板，彈性模量210 GPa，泊松比0.27，密度7 850 kg/m3。

應(yīng)用三維繪圖軟件SolidEdge建立物料車車架結(jié)構(gòu)的CAD模型，導(dǎo)入ANSYS軟件，采用4節(jié)點(diǎn)Shell63單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將車架結(jié)構(gòu)的材料屬性、壁厚等參數(shù)賦予相應(yīng)的單元。車架有限元模型如圖1所示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為30 879，單元總數(shù)為30 258個(gè)。

考慮到車架立柱軸與懸架連接，將車架上的荷載傳遞到懸架上，因此將車架柱軸端面施加全約束。

圖1 車架有限元模型示意

3 車架模態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析

Block Lanczos向量迭代法是一種矢量正交化方法，該方法對(duì)于求解大型稀疏矩陣的特征值問題最有效且計(jì)算效率較高。利用該方法可求得物料車車架的前20階模態(tài)及其所對(duì)應(yīng)的自振頻率。自由振動(dòng)分析得到的前20階模態(tài)的自振頻率見表1。圖2給出了模型的前9階模態(tài)圖。

表1 車架模態(tài)參數(shù)

圖2 前9階模態(tài)

從圖2可以看出，1階振型為豎直面內(nèi)橫梁一階彎曲，2階振型為水平面內(nèi)橫梁一階彎扭，3階振型為豎直面內(nèi)橫梁二階彎曲，4階振型為豎直面內(nèi)橫梁三階彎曲，5階振型為水平面內(nèi)橫梁一階扭轉(zhuǎn)，6階振型為水平面內(nèi)橫梁二階扭轉(zhuǎn)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)物料車振動(dòng)的影響

車架是一個(gè)多自由度的彈性振動(dòng)系統(tǒng)，作用于這個(gè)系統(tǒng)上的各種激勵(lì)力(即動(dòng)載荷)就是使物料車產(chǎn)生復(fù)雜振動(dòng)的動(dòng)力源。其中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于燃燒爆發(fā)壓力和活塞組等零件的往復(fù)慣性力引起的簡諧激勵(lì)是物料車車架多種激擾力的一種。

物料車采用六缸四沖程柴油內(nèi)燃機(jī)，缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的爆發(fā)壓力、運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩通過發(fā)動(dòng)機(jī)和車架之間的連接支撐傳遞到車架上。其中由曲軸、連桿以及活塞運(yùn)動(dòng)的不平衡質(zhì)量而引起的往復(fù)慣性力和力矩容易引起車架的共振，對(duì)物料車的振動(dòng)影響較大，其余成分影響較小。因此，要降低振動(dòng)，車架的模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸壓力與慣性力的激勵(lì)頻率范圍。

發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)主要包括爆炸壓力產(chǎn)生的激勵(lì)、運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的激勵(lì)和運(yùn)動(dòng)部件重力產(chǎn)生的激勵(lì)。

爆發(fā)壓力產(chǎn)生的激勵(lì)，對(duì)于四沖程機(jī)，頻率是轉(zhuǎn)速階數(shù)的0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，…倍，最大為1階，其他逐次減少，各個(gè)型號(hào)的內(nèi)燃機(jī)有差別。

往復(fù)慣性力有切向力(1階系數(shù)0.25，2階0.50，3階0.75，4階0.25，…)和徑向力(1階系數(shù)0.25，2階0.50，3階0.75，4階0.25，…)，最后作用給基座的是合成作用力。

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率f0與爆炸壓力f1和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的激勵(lì)頻率f2關(guān)系為

式中:其中Z為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù);τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù);n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;A的取值為0.5～1.0。物料車發(fā)動(dòng)機(jī)為六缸四沖程柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速1 000～2 300 r/min，按照式(4)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵(lì)頻率

從表2可以看出，與發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速1 000～2 300 r/min對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率在75～230 Hz。對(duì)比表1可以看出，對(duì)于鋼板厚度采用20 mm的物料車的前12階頻率值均小于發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵(lì)頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率與物料車車架的高階模態(tài)接近，但是一般高頻模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)貢獻(xiàn)較小。因此發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中對(duì)物料車振動(dòng)影響不大，物料車動(dòng)力特性設(shè)計(jì)合理可行。

5 結(jié)論

本文以物料車車架為研究對(duì)象，借助三維繪圖軟件SolidEdge與大型有限元軟件，建立了某型物料車車架精細(xì)有限元模型?；谟邢拊碚摚瑢?duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到車架的固有頻率和相應(yīng)振型。通過對(duì)物料運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)激擾頻響的分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車架動(dòng)力特性的影響。研究結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)物料車車架振動(dòng)影響不大，物料車動(dòng)力特性設(shè)計(jì)合理可行。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．38

1003-1995(2015)04-0147-03

2014-11-13;

2015-02-25

謝鈺(1978—)，女，云南昆明人，講師，碩士。