柴油机机体的模态试验与分析法.pdf

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1、第13卷第3期1998年9月实验力学JOURNAL OF EXPER I M EN TAL M ECHAN ICSVol.13No.3Sep.1998柴油机机体的模态试验与分析法张标标张宗杰陈正翔刘永长(华中理工大学交通学院,武汉,430074)摘要柴油机机体是柴油机的主体结构部件,研究其动态特性对于了解整机的振动特性非常重要。本文介绍了柴油机机体的试验模态分析方法,以及用该方法分析了6108型柴油机机体。求得该机体的前八阶模态频率、阻尼及振型,为该机体的结构改进和柴油机的减振降噪提供了依据。关键词柴油机模态分析传递函数1前言柴油机机体是发动机的主要部件,其动态特性对整机振动噪声影响尤为显著。

2、随着柴油机的日益强化,柴油机的振动和噪声有增大的趋势。采用模态法对机体进行研究,有利于从机体振动方面提出降低机器运行时所产生的振动和噪声的改进措施1。2试验模态分析的基本理论实际的构件是一个无限多自由度系统。在发动机结构分析中,通常将所研究的机械结构看成是质点、刚体、弹性体及阻尼器构成的系统,并将它离散成为有限多个相互弹性连接的刚体,变为有限多自由度系统。当满足定常线性系统的要求时,其系统的数学模型可用下列方程式表示2:Mx.+Cx+Kx=f(t)(1)式中,M,C,K分别为质量、阻尼、刚度的矩阵,x为位移,f(t)为作用力。在通常的物理坐标中,上式为一互相耦合的方程组。若求得一新的坐标系,使

3、上述互相耦合的方程组变成为一组互相独立的,其结构和单自由度系统相同的方程,则一个十分复杂的多自由度系统可简化为一系列单自由度系统。这一新的坐标系即为模态坐标。在这一模态坐标中的固有频率、阻尼、质量、刚度等称为模态参数。由所得的模态参数来定义的一种模型即为模态模型。各阶固有频率下模型各部位的位移即为模态振型。根据上述模态参数对结构动态特性进行的分析即为模态分析。若上述参数由试验所得,则所进行的分析称为实验模态分析。本文于1997年12月16日收到第1稿,1998年6月6日收到修改稿传递函数反映了系统的输入与输出之间的关系,它是频域中识别模态参数的依据。将(1)式进行拉氏变换后即可得到传递函数:H

4、(S)=(S2M+SC+K)-1(2)式中,S为变换因子。对于稳定系统,变换因子S=j,此时的传递函数与模态参数间的解析关系式为2:Hij(j)=6nr=15(r)5(r)T2r-2-rr(3)式中:r-某阶圆频率,-圆频率,r-阻尼比,5-振型。由(3)式可知,由传递函数的行或列,便足以确定全部模态参数。用锤击法在构件的j点激振,i点拾振,可以得到实测的传递函数。以试验模态分析时所得传递函数为基础,经过传递函数的综合,可求得任意两点间的传递函数。上述的计算实施过程,目前已有专门的仪器与专门的软件包来完成,一个繁冗复杂的问题,可变得实用又简便了。3试验模态分析测试方法柴油机的机体是一个构造十分

5、复杂的弹性体,要较好地反映各模态的主要特征,需在机体上布置许多测点,每一个测点要测量三个方向坐标,而且每一个测点的每一方向都要测许多次进行平均,以消除随机误差。本次试验在机体上布置140个测点。机体用两根直径1.5mm细钢丝绳经过弹簧吊起来,以达到无边界约束状态,以求得无边界约束时的模态。测量系统如图1所示。图1模态分析测试系统在测试时,把加速度计固定在一个测点上,用力锤对每个测点轮流进行冲击激振。由于敲击的力度是由人掌握的,很难每次都掌握得很好,因此每个测点都要记录612组数据,以便以后处理时,可以对每一测点筛选较好的4组数据作平均。鉴于冲击力的频谱很宽,它能同时激起机体的各阶振动模态。把力

6、信号及加速度信号作富氏变换,可得到它们的频谱。加速度频谱A(f)与力频谱F(f)的比值H(f)即为传递函数。在j点激振,i点测量加速度得到传递函数424实验力学(1998年)第13卷图2传递函数、相干函数曲线图(测点为第72结点,z向)524第3期张标标等:柴油机机体的模态试验与分析法为:Hij(f)=Ai(f)Fj(f)(4)它是机体振动的固有特性。当固定加速度测点i,使激振点j=1,2,n,则得到n个传递函数。若在i点激振并在i点测量加速度,得到原点传递函数Hii(f),它是在频率f,单位激振力在该点引起的加速度。此值除频率的平方,就是该点的动柔度;其倒数是该点的动刚度。Hii(f)是复函

7、数,其模即共振曲线,它的峰值点就是共振点。本次实验对机体进行5个点的Hii(f)的测量。利用激振力的频谱F(f)和加速度的频谱A(f)可计算出相干函数为:2FA(f)=GFA(f)2GFF(f)GAA(f)(5)其中:GFA(f)为F(f)与A(f)互功率谱,GFF(f)、GAA(f)分别为F(f),A(f)自功率谱。相干函数 2FA(f)在01之间,它表征实验结果可靠性。一般情况下,2FA越接近于1,表明实验受干扰越小,实验的结果越可靠。通常要求相干函数应大于0.8,最好是大于0.9。从图2a 图2c上可看出,在大部分频段上相干函数几乎大于0.8,甚至有的超过0.9,接近于1。大于3000H

8、z时,相干函数急剧减少,这是因为只需要分析3000Hz以下的频段,把滤波器的上限频率调到3000Hz,高于此频率的信号,大部分被滤掉所致。在靠近零的低频段,相干函数也较低。这是因为需要分析的频带很宽,这就要用较硬的锤头作激振,因而其低频特性稍差一些。但对于作模态分析最重要的共振点附近的数据,其相干函数仍比较高,一般都达到0.8以上。图3模平均的传递函数最终曲线图4数据处理与模态分析柴油机机体是一个十分复杂的弹性体,在实验分析的频段内有许多个模态,它们在传递函数的曲线出现为共振峰。在不同激振点能激起的模态并不完全相同,加上有干扰存在还会出现虚假的峰值。单凭少数几条传递函数来选取机体的模态,有可能

9、会漏掉某些模态,或选取了虚假的模态,为了能较客观地选取模态,本次实验是把全部传递函数的模作平均,选取平均传递624实验力学(1998年)第13卷函数的峰值点作为固有频率的近似值用于进行模态分析。同时还参考测点的相干函数,要求相干函数在固有频率点的值均大于0.8。图3为全部传递函数的模作平均的最终曲线图。图4为打印出来的一个典型模态。表1为机体前八阶模态的固有频率及阻尼比。表1机体前8阶固有频率和模态阻尼比阶数12345678固有频率167.49195.53209.32337.91375.08413.43547.71623.73阻尼比0.00640.00640.00690.00840.00890

10、.00390.01490.0064图4第8阶模态振型极限位置724第3期张标标等:柴油机机体的模态试验与分析法5试验结果分析柴油机机体是产生整机振动和噪声的主体。在试验中对机体、齿轮室、飞轮罩壳的装配总成及单独机体分别进行了测试。本文所列出的模态图及传递函数等只是几种方案中的一种。机体总成的八阶模态测试中,第一阶模态时飞轮罩壳两边突出的支承点振动较大,其余各阶模态时飞轮罩壳、齿轮室在机体安装面的外延部分振动特别显著,尤其是齿轮室的外延部分前后扇动幅度很大,不仅本身会辐射噪声,也会影响相关连接件的振动和噪声。齿轮室和飞轮罩壳本身的刚度及它们与机体的连接刚度和阻尼,会明显影响机体总成的振动模态。试

11、验中,换用刚性好的齿轮室和飞轮罩壳,提高了三个零件中相互连接的刚度。柴油机有时受到空间,安装等因素的制约,使得改进其结构以达到提高零件刚度的措施难以实现。此时用增加零件连接面的阻尼的方法,对减少振动传递会收到较好的效果。对机体前后端的连接面,进行适当的阻尼处理,减少了齿轮室和飞轮罩壳的振动。模态实验中,其有效性得到了证实。在机体总成和机体单件的模态测试中可知,6108机体的振动较大,其机体的裙部尤其突出。柴油机整机试验测试中,其左右两侧的振动和噪声分布(图略)也反映了这一情况。我们用加筋和局部结构强化的方法,提高裙部和机体整体刚度,减少了振动和噪声。本文介绍了柴油机机体的模态试验分析方法,并具

12、体分析了6108机体的前8阶模态,找到产生噪声和振动的薄弱环节,并且提出了相应的结构改进意见。改进后的6108机体的辐射噪声较原机体低1.41.9dB(A),说明用该方法分析发动机机体的动态特性是行之有效的。参考文献1.大久保信行.机械模态分析.上海交通大学出版社,19852.傅志方主编.振动模态分析与参数辨识.机械工业出版社,1990Experi mentalM odal Analysis for D iesel Engine Cylinder BlockZHANG BiaobiaoZHANG ZongjieCHEN ZhengxiangL IU Yongchang(H uazhong U

13、niversity of S cience and T echnology,W uhan,430074)AbstractThe method of experimentalmodal analysis for diesel engine cylinder block is introducedand applied to a Yc6108 diesel engine.The first eight modal frequencies and damping parametersare obtained,which may serve as the basis of structure optim izing for the system.KeyWordsdiesel engine,modal analysis,transfer function作者简介张标标,29岁,现为华中理工大学交通学院96级博士研究生,从事内燃机噪声与振动的研究工作。824实验力学(1998年)第13卷