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

某柴油機(jī)主軸承蓋的模態(tài)分析

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

本文針對(duì)主軸承蓋在自由狀態(tài)下采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明，自由狀態(tài)下主軸承蓋的模態(tài)振型以彎曲和彎扭振動(dòng)為主，通過主軸承蓋的模態(tài)振動(dòng)特性分析，可以防止其與相鄰件發(fā)生共振，減小內(nèi)燃機(jī)故障概率，為主軸承蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)提供了重要參考。

主軸承蓋；模態(tài)分析；柴油機(jī)

1 引言

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)作為一種高效率的動(dòng)力機(jī)械，其應(yīng)用范圍越來越廣[1-4]。在內(nèi)燃機(jī)的工作過程中，氣體力通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)作用在主軸承蓋上，使得其承受較大的壓力，同時(shí)往復(fù)慣性力和離心力又使其受到一定的彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，主軸承座必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受不同工況下的彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉壓等作用力。

本文以某型柴油機(jī)的主軸承蓋為研究對(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，為主軸承蓋的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

2 主軸承蓋有限元模型建立

2.1 主軸承蓋實(shí)體模型的建立

針對(duì)主軸承蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用Pro/E三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體模型的建立，主軸承蓋的三維實(shí)體模型如圖1所示。作者簡介：石亦琨，1989出生，山西太原人，在讀碩士，研究方向：動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

圖1 主軸承蓋三維模型

2.2 主軸承蓋有限元模型的建立

本文采用前處理軟件ANSA對(duì)主軸承蓋的三維實(shí)體模型進(jìn)行前處理，對(duì)其進(jìn)行材料的設(shè)定和邊界條件的施加。本文為了研究自由狀態(tài)下主軸承蓋的模態(tài)分析，因此，在ANSA中對(duì)主軸承蓋的模型進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定和邊界條件的施加，其中，主軸承蓋采用SOLID185四面體單元，單元數(shù)為13020個(gè)。主軸承蓋的材料選用合金鋼，泊松比0.28，密度7820g/mm3，彈性模量206Gpa。主軸承蓋的有限元模型如圖2所示。

圖2 主軸承蓋的有限元模型

3 主軸承蓋的模態(tài)分析

本文采用分塊Lanczos模態(tài)法對(duì)主軸承蓋進(jìn)行10階自由模態(tài)分析。主軸承蓋的自由模態(tài)也就是無約束模態(tài)，自由模態(tài)下主軸承蓋具有6階剛體模態(tài)，所以，模態(tài)分析求解的結(jié)果中前6階主軸承蓋的固有頻率為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。

表1 10階自由模態(tài)的固有頻率和最大變形量

本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)主軸承蓋進(jìn)行模態(tài)分析，并提取了前10階的固有頻率和最大變形量。主軸承蓋前10階的模態(tài)振型如圖3所示，主軸承蓋自由模態(tài)下前10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，主軸承蓋在自由模態(tài)下，主軸承蓋主要受到彎曲和彎扭振動(dòng)。

圖3 自由模態(tài)下主軸承蓋的振型

4 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件對(duì)主軸承蓋進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得出以下結(jié)論：

（1）主軸承蓋在模態(tài)分析過程中發(fā)生彎曲和彎扭振動(dòng)，而且彎扭振動(dòng)是主要振動(dòng)。因此，在對(duì)主軸承蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮柴油機(jī)工作時(shí)主軸承蓋彎曲導(dǎo)致的變形現(xiàn)象。

（2）通過主軸承蓋的模態(tài)振動(dòng)特性分析，可以防止其與相鄰件發(fā)生共振，減小內(nèi)燃機(jī)故障概率。而且可知在某共振頻率下，主軸承蓋的結(jié)構(gòu)變形趨勢，進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，使其變形減小。

[1]陳超,胡景彥,吳豐凱,洪進(jìn).發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋/壁結(jié)構(gòu)分析[J].內(nèi)燃機(jī),2013,04：5-8.

[2]方偉.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體—主軸承蓋接觸面微動(dòng)疲勞研究[D].中北大學(xué),2014.

[3]陳霖,曹曉明.柴油機(jī)主軸承蓋應(yīng)力和應(yīng)變的3D有限元分析[J].江蘇船舶,1999,03：33-35+45.

[4]曹曉明,王明武,李愛軍.內(nèi)燃機(jī)主軸承蓋強(qiáng)度和剛度的三維有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1999,03：42-43.