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流固耦合有限元法用于油底壳模态计算
2017-05-11 22:04:28  作者:张亮 袁兆成 黄震   来源:互联网
  •   引言   油底壳属薄壁件,其表面辐射噪声约占柴油机总辐射噪声级的15~22%左右。因此,研究油底壳振动对于降低柴油机噪声具有较大意义。目前,国内外多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。通过模态试验 ...

  引言

  油底壳属薄壁件,其表面辐射噪声约占柴油机总辐射噪声级的15~22%左右。因此,研究油底壳振动对于降低柴油机噪声具有较大意义。目前,国内外多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。通过模态试验得到了无润滑油存在时的油底壳振动参数;利用有限元法得出结构的振动参数,并以此为依据进行优化设计。在辐射噪声计算方面,利用边界元法预测了内燃机部件的辐射噪声。此前进行的工作大多并未考虑润滑油的存在对油底壳振动的影响,而内燃机运转时,润滑油必不可少,因此有必要考虑润滑油的存在对油底壳振动的影响。考虑了耦合振动的影响,介绍了一种有限元耦合方法在结构振动计算中的应用。本文以4118Z型柴油机油底壳为例,采用软件Sysnoise ,通过运用流固耦合有限元法,计算了有润滑油存在的油底壳振动模态,并与无润滑油存在的油底壳模态作比较,发现油底壳的模态振型和频率均有较大变化。基于以上计算,本文对上述影响进行了数流固耦合有限元法概述流固耦合有限元法,一般用于流体质量对结构振动的影响不可忽略的场合,其基本理论如下:

  

理论

  公式1 模态计算公式

  其中: KS、MS ———结构刚度、质量矩阵

  KF、MF———流体刚度、质量矩阵

  FS、FA ———结构、声载荷向量

  2 模态计算比较

  本文首先计算了不含润滑油的油底壳结构模态,并与试验数据进行比较,验证了结构模型的正确性;接着对含润滑油的油底壳进行了耦合模态计算,并与此前的计算结果进行了比较,发现结构的振型和频率均有较大变化。

  2.1 结构模型的计算与验证

  图1为计算所采用的有限元模型示意图,共3872个单元、1986个节点, 结构尺寸为X—0.653m、Y—0.19m、Z—0.322m。

  

图1 油底壳有限元模型

  图1 油底壳有限元模型

  表1对计算与实验(锤击法)所得的油底壳前4阶模态频率进行了比较,最大误差不超过5.7% ,这说明计算所建立的有限元模型具有足够的精度用于工程计算。

  表1 试验与计算模态频率比较

  

表1 试验与计算模态频率比较

  另外,由于试验采用单点锤击法,使得某些油底壳固有频率尚未激发出来,这样就出现了表1中的情况,即频率并不是严格按照阶数的顺序进行比较

  2.2 模态比较

  由于发动机工作时油面高度会有所变化,所以本文计算了油面高度依次为油底壳总高度1/4、3/8、1/2、5/8、3/4时的油底壳耦合模态。

  表2比较了油面高度为油底壳总高度1/ 4的耦合模态频率和不含润滑油的模态频率。从中可发现由于润滑油的存在,使得结构振动的频率发生了较大变化,最大幅度达到37. 4 %。

  表2 含油与不含油的模态频率比较

  

表2 含油与不含油的模态频率比较

  

图2 结构模态与耦合模态振型比较

  图2 结构模态与耦合模态振型比较

  图2的a-b为不含润滑油的油底壳前4阶振型,e-h为含润滑油的油底壳前4阶耦合振型。

  通过振型比较,可发现除第1阶振型外,其余几阶振型发生了较大变化,使振型比较变得相当困难。以上计算表明,润滑油的存在使油底壳振动参数发生了变化,必须进一步预测这种影响。

  2.3 数值预报

  本文计算了油面高度依次为油底壳总高度1/ 4、3/ 8、1/ 2、5/ 8、3/ 4时的油底壳耦合模态,图3表示了前6阶耦合模态频率的变化。

  

图3 耦合模态频率变化

  图3 耦合模态频率变化

  4118Z型柴油机额定转速为2400rpm ,对不平衡的第二阶惯性力没有采取平衡措施,而且此时二阶往复惯性力频率为80Hz ,该柴油机的发火频率也是80Hz ,因此可以认为80Hz是振动的主要激励频率。

  计算表明,当油面高度为油底壳高度的3/ 8、1/ 2等常用高度时,耦合模态频率在160Hz左右,正好是主要激励频率的一倍,因此该油底壳非常有可能产生基频共振。这在整机振动试验时得到了证实。

  随着油面高度的上升,油底壳耦合模态频率有所下降,某些阶次下降幅度较大。

  3 结论

  1) 润滑油的存在对于油底壳结构振动特性有着较大影响,设计和计算时应该考虑这种影响。

  2) 流固耦合计算方法可以更合理地计算结构在实际状态下的固有频率,为进一步正确计算提供了保证。



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