王旭蘭，任偉，吳波，郝勇剛，李旭東，陳晉兵，高波，趙文韜

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2. 北汽股份汽車研究院，北京 101106；3.穎投信息科技(上海)有限公司，上海 200040)

近年來(lái)，我國(guó)在雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展。雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)在單位體積功率及單位質(zhì)量功率上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)輕型裝備高緊湊、輕量化動(dòng)力的新途徑[1]。但雙對(duì)置柴油機(jī)扁平狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣管、排氣管、氣缸套及曲軸箱的集成化設(shè)計(jì)和組合結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)制約著典型結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，具有橫向抗彎剛度較弱與連接接觸面多的特點(diǎn)，使柴油機(jī)整體剛度固有頻率降低、阻尼增加，振動(dòng)形態(tài)復(fù)雜化，還會(huì)造成密封失效等可靠性問(wèn)題[2-3]。

因此，在雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)扁平狀組合結(jié)構(gòu)模態(tài)的試驗(yàn)測(cè)試和有限元數(shù)值模擬中，通過(guò)改變雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)左右箱體與兩側(cè)零部件的螺栓預(yù)緊力，研究結(jié)合面的不同面壓對(duì)組合結(jié)構(gòu)頻率與阻尼的影響規(guī)律。分析雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)結(jié)合面的處理方法，提出具有較高計(jì)算精度的雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真方法?；陔p對(duì)置二沖程柴油機(jī)曲軸箱、進(jìn)排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響的仿真模擬，探究各種影響因素對(duì)組合機(jī)構(gòu)剛度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)測(cè)試裝置

由于雙對(duì)置柴油機(jī)有扁平狀組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用LMS Test模態(tài)測(cè)試設(shè)備，在機(jī)體組合結(jié)構(gòu)上選取的測(cè)量自由度數(shù)為87個(gè)，測(cè)取的傳遞函數(shù)為348個(gè)，通過(guò)錘擊法逐點(diǎn)敲擊，進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。圖1示出試驗(yàn)所使用的測(cè)試設(shè)備和待測(cè)試件，待測(cè)試件包括雙對(duì)置柴油機(jī)曲軸箱、左右兩側(cè)進(jìn)排氣管、左右氣缸套以及預(yù)緊螺栓等。圖2示出測(cè)點(diǎn)及網(wǎng)格圖。

圖1 試驗(yàn)所使用的測(cè)試設(shè)備和待測(cè)試件

圖2 曲軸箱部件模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)及網(wǎng)格圖

1.2 不同螺栓預(yù)緊力下結(jié)構(gòu)剛度測(cè)試結(jié)果分析

采用該試驗(yàn)測(cè)試裝置開(kāi)展了螺栓預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響規(guī)律研究。測(cè)試方案見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)組合結(jié)構(gòu)部件螺栓預(yù)緊力的調(diào)整，識(shí)別出曲軸箱在不同預(yù)緊力下的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼等參數(shù)。圖3示出螺栓預(yù)緊力對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、阻尼的影響規(guī)律。

表1 不同螺栓預(yù)緊力下結(jié)構(gòu)剛度測(cè)試方案

圖3 螺栓預(yù)緊力對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、阻尼的影響

圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊力對(duì)雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響比較小。隨著預(yù)緊力的增大，各階模態(tài)頻率值均呈現(xiàn)略微增大的趨勢(shì)，模態(tài)頻率的最大相對(duì)偏差為2.41%。螺栓預(yù)緊力對(duì)模態(tài)阻尼結(jié)果的影響稍大。由測(cè)試結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)預(yù)緊力條件下，可以忽略雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)中存在的多個(gè)結(jié)合面對(duì)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響。

2 計(jì)算模型

對(duì)于具有復(fù)雜接觸結(jié)合面的組合結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真，目前主要有以下幾種處理方法：1)等效結(jié)合部虛擬材料法，在結(jié)合面處人為設(shè)定一個(gè)具有一定厚度的彈性虛擬材料，通過(guò)組合體的模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試來(lái)修正虛擬材料的質(zhì)量、密度、彈性模量等材料參數(shù)，該仿真模型簡(jiǎn)便直觀，但人為因素影響較大。2)剛度-阻尼結(jié)合面等效法，用一組平行的彈簧-阻尼器單元來(lái)模擬裝配體連接的材料和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后特性，該方法的物理和理論意義清晰，但是在有限元軟件中彈簧和阻尼器的根數(shù)和相關(guān)參數(shù)難以設(shè)置。3)薄層單元等效法，采用一個(gè)0厚度或非常小厚度的正交各向異性彈性薄層來(lái)等效結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，該模型物理意義明確并能很好地和有限元軟件結(jié)合，但需要大量的試驗(yàn)來(lái)確定等效薄層的參數(shù)，在工程中應(yīng)用有一定的局限性[4-10]。

上述3種機(jī)械結(jié)合面等效方法，計(jì)算精度相對(duì)較高，但是需要輸入的計(jì)算參數(shù)均需要大量的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)支撐，因此在一些具有較高接觸面壓，結(jié)合面影響并不顯著的案例中，工程上通常會(huì)采用一些直接忽略結(jié)合面影響的仿真方法，其中最常見(jiàn)為T(mén)ie連接方法，即對(duì)結(jié)合面兩側(cè)的有限元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全自由度耦合約束。另一種方法為接觸連接方法，該方法首先對(duì)所有接觸對(duì)進(jìn)行非線性接觸分析，得到兩個(gè)物體的實(shí)際接觸面積，最后對(duì)接觸部分的單元節(jié)點(diǎn)施加Tie綁定約束進(jìn)行線性模態(tài)分析。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Tie綁定仿真處理方法在雙對(duì)置柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)工程應(yīng)用中的可行性，采用該方法對(duì)該柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

采用Tie綁定方法處理結(jié)合面后，雙對(duì)置柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)第一階至第四階自由模態(tài)測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5至圖8，各階模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的頻率見(jiàn)表2。

對(duì)比結(jié)果顯示,試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)的模態(tài)振型吻合度較高，采用綁定方法處理結(jié)合面后，組合模態(tài)的計(jì)算精度足夠高。認(rèn)為采用Tie綁定方法處理結(jié)合面的方法可以用來(lái)進(jìn)一步研究雙對(duì)置柴油機(jī)組合結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。

圖5 組合結(jié)構(gòu)模態(tài)第一階振型

圖6 組合結(jié)構(gòu)模態(tài)第二階振型

圖7 組合結(jié)構(gòu)模態(tài)第三階振型

圖8 組合結(jié)構(gòu)模態(tài)第四階振型

模態(tài)階次試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率/Hz計(jì)算模態(tài)頻率/Hz相對(duì)誤差/%第一階359.218348.43-3.149第二階416.898431.473.342第三階536.735527.37-1.745第四階569.678562.33-1.290第五階634.476649.872.426第六階905.184878.11-2.991

3 結(jié)構(gòu)形式與材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響

3.1 進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響

圖9示出進(jìn)排氣管壁厚由初始6 mm分別改為8 mm，10 mm，12 mm時(shí)對(duì)模態(tài)頻率的影響。計(jì)算結(jié)果顯示,隨著進(jìn)排氣管壁厚的增加，組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率有略微增大趨勢(shì)。進(jìn)氣管壁厚的增加對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)固有頻率的影響較?。慌艢夤鼙诤竦脑黾訉?duì)組合結(jié)構(gòu)第四階、第六階模態(tài)頻率影響相對(duì)較大。第四階模態(tài)排氣管由初始壁厚改為8 mm，10 mm，12 mm時(shí)，模態(tài)頻率分別增加1.254%，2.132%，2.497%。第六階模態(tài)頻率在壁厚8 mm時(shí)增加3.580%，在10 mm時(shí)增加5.546%，在12 mm時(shí)增加6.102%。在此兩階振型中排氣管局部振動(dòng)所占的比例較大，通過(guò)增加排氣管壁厚可以提高此兩階次組合結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，增加組合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)剛度，但貢獻(xiàn)并不大。

圖9 進(jìn)排氣管壁厚對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響

3.2 曲軸箱結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響

圖10示出曲軸箱增加筋板位置，圖11和圖12示出曲軸箱筋板與橫側(cè)隔板壁厚對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響。從圖11和圖12可以看出，隨著曲軸箱筋板的增加與橫側(cè)隔板厚度的增加，組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率呈現(xiàn)顯著的增大趨勢(shì)。特別是筋板的增加對(duì)整機(jī)組合結(jié)構(gòu)一階模態(tài)頻率影響很大，變化率達(dá)到25%。因?yàn)橐浑A振型為曲軸箱對(duì)角扭曲，此方向沒(méi)有約束支撐，危害很大，增加筋板可以明顯改善模態(tài)頻率，可以在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)加以考慮。四階模態(tài)幾乎沒(méi)有改變，因?yàn)榍S箱上有加強(qiáng)筋，對(duì)第四階振型的振動(dòng)起到一定的抑制作用，從圖9可知，排氣管在四階模態(tài)變化明顯，四階模態(tài)振型多為排氣管的局部振動(dòng)。

圖10 左右箱體增加筋板位置(下表面相同)

圖11 筋板對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響

圖12 橫側(cè)隔板壁厚對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響

3.3 材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)剛度的影響

圖13和圖14示出進(jìn)排氣管與曲軸箱材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響。從圖13可以看出，進(jìn)排氣管在不改變結(jié)構(gòu)的條件下，材料由鑄鐵改為鑄鋁，組

圖13 進(jìn)排氣管材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響

圖14 曲軸箱材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響

合結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì),減輕質(zhì)量的同時(shí)還可增強(qiáng)剛度。圖14示出曲軸箱材料由鑄鐵改為鑄鋁對(duì)組合模態(tài)固有頻率的影響較小，但使用鋁合金材料可以使組合結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量減輕很多。

4 結(jié)論

a) 試驗(yàn)測(cè)試了不同螺栓預(yù)緊力對(duì)雙對(duì)置柴油機(jī)結(jié)構(gòu)剛度的影響規(guī)律，并驗(yàn)證了模態(tài)計(jì)算模型的可信度，為雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)、螺栓預(yù)緊力的確定提供了理論支撐；

b) 進(jìn)排氣管壁厚的增加對(duì)提高雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)結(jié)構(gòu)剛度效果并不十分明顯，曲軸箱筋板的增加與橫側(cè)隔板厚度的增加使模態(tài)頻率呈現(xiàn)顯著的增大趨勢(shì)，進(jìn)行曲軸箱工程設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增加筋板與橫側(cè)隔板厚度有利于雙對(duì)置柴油機(jī)組合機(jī)構(gòu)剛度的增加；

c) 進(jìn)排氣管材料由鑄鐵改為鑄鋁使組合結(jié)構(gòu)固有頻率明顯增加，在滿足可靠性前提下，既可減輕組合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還可強(qiáng)化組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度；曲軸箱材料的改變對(duì)組合模態(tài)固有頻率的影響較小，為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)先選用鋁合金材料。