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柴油机部分零部件模态计算与试验 罗国良 李京鲁 康明明 季炳伟 韩峰 田新伟 （潍柴动力股份有限公司） 摘 要：本文解释了结构模态和模态分析的概念，以某曲轴、气缸体、油底壳为例，说明了模态分析的计算和试验手段，讨 论了计算和试验相关联的方法，说明 ABAQUS 的特征值提取模块在模态分析中的应用。 关键词：曲轴 气缸体 油底壳 ABAQUS 模态分析 模态试验 1. 前 言 模态是结构系统的固有振动特性，每个模态都具有特定的模态参数。模态分析是研究结构动力特性的主要 方法之一，包括计算和试验两种手段，其目的在于识别出结构系统的模态参数，为结构动力响应预测、动力修改 和优化设计、振动和噪声控制、状态监测、故障诊断等提供依据。 计算模态分析是已知结构系统的质量、刚度，利用理论公式求解系统的模态参数。它常和有限元技术结合 起来，将结构离散成有限单元，利用变分原理建立单元动力学方程，将单元质量、刚度矩阵组合成整体质量、刚 度矩阵，再利用矩阵迭代法或子空间迭代法求解结构模态参数。 试验模态分析对结构物进行人为激振，通过测量激振力与测点的响应并对其进行快速傅里叶变换，得到任 意两点之间的传递函数，用模态分析理论拟合试验导纳函数的曲线，识别出结构的模态参数。 对柴油机零部件进行模态分析和参数识别是进行柴油机振动和机械噪声控制的主要手段，可以了解现有柴 油机零部件的动力特性，为零部件结构修改和新产品的开发提供开发手段和基础数据。 2. 计算环境和试验环境 2.1 计算环境 模态计算利用有限元方法进行，用到的软件和部分参数列于表-1 。 表-1 模态计算的软件和参数 CAD 软件 前处理 求解器 后处理 单元类型 模态求解方法 Pro/E 4.0 HyperMesh 8.0 ABAQUS 6.7 ABAQUS cae 6.7 C3D10 Lanczos 2.2 试验环境 模态试验用到的主要设备列于表-2 。模态测试系统图参见图 1 。为尽量保证测试部件处于自由状态，曲轴和 气缸体采用弹性绳悬吊支撑方式，油底壳采用塑料泡沫支撑；激振方法采用锤击脉冲激励法；对测试数据采用多 次触发采样后进行平均处理。 表-2 测试设备 图 1 模态测试系统图 3. 曲轴模态计算和试验 3.1 曲轴简介 曲轴是柴油机的动力输出部件，由前端、多个单位曲拐、后端构成。曲轴的动力特性关系到轴系的扭转、 纵向、横向振动、配气机构的振动，对曲轴的模态进行分析和试验识别具有重要的意义。 3.2 模态计算和试验 模态试验测点布置见图 2 ，选择测点 21 作为激励点，采样频率 2048Hz 。 图 3- 图 6 表示曲轴的前四阶模态的计算结果和试验结果。模态计算和试验结果表明，前四阶的振型和固有 频率具有很高的吻合程度，频率差异百分比在 2% 以内；而 5-10 阶因暂时没找到试验测试的数据，本文没有进 行对比，曲轴前十阶模态结果参见表-3 。 图 2 曲轴模态试验测点布置图 图 3 曲轴第 1 阶计算模态和试验模态 图 4 曲轴第 2 阶计算模态和试验模态 图 5 曲轴第 3 阶计算模态和试验模态 图