引言

    油底殼屬薄壁件,其表面輻射噪聲約占柴油機總輻射噪聲級的15～22%左右。因此,研究油底殼振動對于降低柴油機噪聲具有較大意義。目前,國內外多用試驗結合有限元法對油底殼進行模態分析。通過模態試驗得到了無潤滑油存在時的油底殼振動參數；利用有限元法得出結構的振動參數,并以此為依據進行優化設計。在輻射噪聲計算方面,利用邊界元法預測了內燃機部件的輻射噪聲。此前進行的工作大多并未考慮潤滑油的存在對油底殼振動的影響,而內燃機運轉時,潤滑油必不可少,因此有必要考慮潤滑油的存在對油底殼振動的影響。考慮了耦合振動的影響,介紹了一種有限元耦合方法在結構振動計算中的應用。本文以4118Z型柴油機油底殼為例,采用軟件Sysnoise ,通過運用流固耦合有限元法,計算了有潤滑油存在的油底殼振動模態,并與無潤滑油存在的油底殼模態作比較,發現油底殼的模態振型和頻率均有較大變化。基于以上計算,本文對上述影響進行了數流固耦合有限元法概述流固耦合有限元法,一般用于流體質量對結構振動的影響不可忽略的場合,其基本理論如下:

公式1 模態計算公式

    其中: KS、MS ———結構剛度、質量矩陣
　          KF、MF———流體剛度、質量矩陣
　          FS、FA ———結構、聲載荷向量

2 模態計算比較

    本文首先計算了不含潤滑油的油底殼結構模態,并與試驗數據進行比較,驗證了結構模型的正確性;接著對含潤滑油的油底殼進行了耦合模態計算,并與此前的計算結果進行了比較,發現結構的振型和頻率均有較大變化。

    2.1 結構模型的計算與驗證

    圖1為計算所采用的有限元模型示意圖,共3872個單元、1986個節點, 結構尺寸為X—0.653m、Y—0.19m、Z—0.322m。

圖1 油底殼有限元模型

    表1對計算與實驗(錘擊法)所得的油底殼前4階模態頻率進行了比較,最大誤差不超過5.7% ,這說明計算所建立的有限元模型具有足夠的精度用于工程計算。

表1 試驗與計算模態頻率比較

    另外,由于試驗采用單點錘擊法,使得某些油底殼固有頻率尚未激發出來,這樣就出現了表1中的情況,即頻率并不是嚴格按照階數的順序進行比較

    2.2 模態比較

    由于發動機工作時油面高度會有所變化,所以本文計算了油面高度依次為油底殼總高度1/4、3/8、1/2、5/8、3/4時的油底殼耦合模態。

    表2比較了油面高度為油底殼總高度1/ 4的耦合模態頻率和不含潤滑油的模態頻率。從中可發現由于潤滑油的存在,使得結構振動的頻率發生了較大變化,最大幅度達到37. 4 %。

表2 含油與不含油的模態頻率比較

圖2 結構模態與耦合模態振型比較

    圖2的a-b為不含潤滑油的油底殼前4階振型,e-h為含潤滑油的油底殼前4階耦合振型。

    通過振型比較,可發現除第1階振型外,其余幾階振型發生了較大變化,使振型比較變得相當困難。以上計算表明,潤滑油的存在使油底殼振動參數發生了變化,必須進一步預測這種影響。

    2.3 數值預報

    本文計算了油面高度依次為油底殼總高度1/ 4、3/ 8、1/ 2、5/ 8、3/ 4時的油底殼耦合模態,圖3表示了前6階耦合模態頻率的變化。

圖3 耦合模態頻率變化

    4118Z型柴油機額定轉速為2400rpm ,對不平衡的第二階慣性力沒有采取平衡措施,而且此時二階往復慣性力頻率為80Hz ,該柴油機的發火頻率也是80Hz ,因此可以認為80Hz是振動的主要激勵頻率。

    計算表明,當油面高度為油底殼高度的3/ 8、1/ 2等常用高度時,耦合模態頻率在160Hz左右,正好是主要激勵頻率的一倍,因此該油底殼非常有可能產生基頻共振。這在整機振動試驗時得到了證實。

    隨著油面高度的上升,油底殼耦合模態頻率有所下降,某些階次下降幅度較大。

3　結論

    1) 潤滑油的存在對于油底殼結構振動特性有著較大影響,設計和計算時應該考慮這種影響。

    2) 流固耦合計算方法可以更合理地計算結構在實際狀態下的固有頻率,為進一步正確計算提供了保證。

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本文標題：流固耦合有限元法用于油底殼模態計算

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