发动机零部件的模态分析研究[范文]

第一章引言

1.1背景

汽车对于人们生活具有十分重要的作用，起源19于世纪末，汽车工业至今已经发展了一百多年，如今已是全球经济支柱。汽车工业已经影响国民经济的各行各业，是衡量一个国家工业发展水平的支柱产业。同时一个国家的汽车保有量也体现了该国的经济发展程度。汽车产业在发达国家汽车的保有量巨大,在美国平均每人拥有一部车在德国平均每人拥有一辆车在日本私人汽车是最主要的交通工具。在发达国家这样,在发展中国家也是如此。市场与利润吸引了国外的很多汽车厂商,同时也使国内汽车行业的竞争日趋激烈,同时,广大用户对汽车的驾驶舒适性、排放、噪音污染等也提出了更高的要求。因此,汽车与发动机的振动、噪声、平顺性（NVH)问题受到了越来越多的重视。

发动机零部件的模态分析研究

NVH是噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写，也被称为噪声与振动（Noise and Vibration N&V)，是衡量汽车制造质量的综合性问题，随着各个车企在汽车动力性，经济性操作稳定性，安全性等领域的性能越来越趋近，NVH性能成为衡量车企产品质量的重要指标，也成为消费者评鉴汽车品质的一个主要标。

模态分析是振动工程理论的重要的一部分，它为发动机零部件的结构优化设计和性能评估提升提供了有效的研究工具，进过模态分析后的研究结果能够有效准确地评估产品性能，同时根据模态结果而进行地动态优化设计方法使模态分析变得更为有效实用。特别是计算机技术和各种计算方法的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。

模态分析的应用可分为以下四类。

1. 模态分析在结构性能评价中的直接应用

根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作频率，或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作为佳。这是模态分析的直接应用，已成为工程界的基本方法。

2.模态分析在结构动态设计中的应用

以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最为广泛的研究邻域之一。有限元法（FEM）和试验模态分析（EMA）为结构动态设计提供了两条最主要的途径。

3.模态分析在故障诊断和状态监测中的应用

利用模态分析得到的模态参数等结果进行故障判别，日益成为一种有效而实用的故障诊断和安全检验方法。如根据模态频率的变化判断裂纹的出现，根据振型的分析判断裂纹的位置，根据转子支撑系统阻尼的改变判断和预报转子的失稳，土木工程中依据模态频率的变化判断水泥桩中是否有裂纹和空隙等。

4.模态分析在声控中的应用

声音控制包括利用振动和抑制控制两个方面。抑制振动结构的辐射噪声，在很多问题中都很突出。

1.2国内外研究现状

发动机的NVH研究领域常用的数字化分析方法包括多体动力学法、有限元法、边界元法、计算流体力学法、数字信号处理法等等。针对发动机性能进行结构设计的行业软件也已开发的十分成熟和全面，在这一领域比较著名的发动机设计咨询和开发公司有AVL、FEV、RICARDO。而对于发动机的相关力学、模态、频响、声学性能等发动机工作特性的研究分析则有LMS、ESI、MSC、ABAQUS、ANSYS、FLUENT等权威计算软件公司提供的相关专属分析方法。

1.2.1国内外研究方向及进展

发动机的NVH研究主要目的在于减小发动机的振动噪声，解决异响问题，优化发动机声品质,通过对目标发动机进行模态分析研究,可为发动机优化提供必要的设计根据,达到改善动态性能的目的。

近年来,国内外的众多高校和研究机构进行了较为广泛的发动机振动和噪声方面的研究,从发动机噪声源的探测、各运动子系统的分析、结构振动和噪声特性的预测,及降低振动和控制噪声的结构优化技术等各方面都有较多的成果，早在92年开始首次用有限元法和边界元等方法分析内燃机结构辐射噪声。在1995年，奥地利AVL技术中心开发出发动机结构动力学与振动噪声结合的分析软件EXCITE同时英国Ricardo技术中心也开发出相应的软件包。M Inagaki用根据有限元方法和多体动力学方法、流体动力学油膜模型完成振动分析。在美国SAE等很多其他研究机构，针对建立发动机机体有限元模型进行了很多相关的研究，通过结合静态分析和试验模态分析的方法，修正有限元分析模型使其更加精确。左正兴等人对发动机机体结构采用有限元和边界元的方法进行振动响应和辐射噪声的研究。郭磊等采用多体动力学、有限元、边界元方法对一台单缸农用柴油机气缸体的辐射噪声进行了分析。

随着当前计算机技术的飞速发展，先进的有限元分析法在模态分析中应用的更为广泛，它的应用也极大地提高了发动机零部件设计可行性和可靠性。

1.2.2存在问题

本研究通过锤击法试验模态与有限元法仿真模态分析相结合的方法对发动机零部件及整机进行模态分析，在研究中也碰到了一些问题，主要有:

(1)　 在采用锤击法进行试验模态分析时，对塑料壳等刚度较低的零部件进行试验敲击时，非常容易产生double hit即二次敲击，影响试验测量，因此应在软件中关掉此选项，允许double hit。

(2)　 在有限元法仿真模态分析中，对于不同结构的零部件往往需要选取不同类型的单元类型，然而选取不同单元类型进行有限元分析时，有限元网格模型的网格数量以及网格密度的选取需要综合考虑计算精度与计算量两个因素。同时HYPERMESH软件的自动划分网格功能，对结构比较复杂的区域往往存在问题，同时六面体单元网格也难以实现自动划分。

(3)　在进行曲轴系和整机模态分析时，模态结果中有很多局部模态，并不是整体的模态特性，应注意选择区分。

(4)　应用有限元法对发动机零部件进行结构优化分析是近些年来计算机辅助设计的热门研究方向。但是在此优化分析中往往存在着大量的计算，工作量巨大，对有限元法的实际应用增加量困难。因此,基于有限元模型分析的发动机零部件优化分析研究目前还局限于一些结构简单的发动机零部件。

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