第32卷第3期 2 0 1 7年8月青岛大学学报（工程技术版）JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)V ol. 32 No. 3A u g.2 0 17文章编号：1006 - 9798(2017)03 -0140 - 05; DOI:10.13306/j.1006 - 9798.2017.03.026EA888型发动机缸体模态分析王楠1，张洪信1，赵清海2，尹怀仙1，张铁柱2(1.青岛大学机电工程学院，山东青岛266071;2.青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛266071)摘要：为了避免共振并满足发动机缸体的强刚度要求，本文以E A888发动机缸体为研究对象，对发动机缸体进行模态分析。
分别利用C A T I A和有限元软件H y p e r m e s h l l. 0建立了发动机缸体实体模型和有限元模型，然后进行网格划分及模态计算，最后利用L M S振动模态分析系统对缸体的模态进行实验分析，并与有限元计算模态结果进行对比。
分析结果表明，两者所得固有频率吻合性较高，验证了有限元分析结果的正确性。
该研究为缸体振动特性分析和结构优化奠定了基础。
关键词：发动机缸体；有限元模态分析；实验模态分析；振动特性中图分类号：U464. 13 文献标识码：A随着经济和社会的发展，环境问题越来越严重，汽车发动机产生的振动也受到人们的关注[1]。
发动机的振动 不仅损坏机器本身，而且其发出的噪声会危害人们的健康[2]。
因此，在发动机的设计阶段进行模态分析，控制 发动机缸体的振动、降低噪声成为发动机设计研究的一个重要方向[3]。
高艳霞等人[4]利用A n s y s软件建立发动 机缸体的有限元模型，并进行了计算模态分析以及振动响应分析，对发动机缸体的设计以及生产有一定的指导作 用；石勇等人[5]利用有限元分析软件A B A Q U S对某柴油机缸体进行了自由模态计算分析，得到了发动机缸体的 前10阶固有频率和振型，利用D A S P系统对其进行了试验模态分析，并对有限元结果和试验模态结果进行对比，计算得到固有频率和试验值最大相差5. 7%，一定程度上验证了仿真模型的准确性。
但以上研究只对比了前 10阶固有频率，而没有对比振型结果。
基于此，本文以E A8888发动机缸体为研究对象，建立了发动机缸体的有 限元仿真计算模型。
基于L M S振动模态分析系统的Pre- T e s t模块，以有限元模型的模态分析为基础，以各个 点的相关性最小为原则确定测点布置方案；利用L M S软件振动模态[6]分析系统进行了缸体的模态实验分析，得 到模态置信矩阵，各个点的频响函数、相干函数和稳态图等指标验证了试验模态的准确性。
最后与有限元计算模 态结果对比分析，两者所得固有频率吻合性较高，验证了有限元分析结果的正确性。
该研究为缸体振动特性分析和结构优化奠定了基础。
1缸体有限元模型的建立发动机缸体是铸造的箱类零件，形状和结构都很复杂[7]。
气缸机是整个发动机的最主要的部件，它将发动机 的各个气缸和曲轴箱连接在一起，是安装曲轴、活塞以及其他零部件的支承骨架[8]。
本文利用C A D法国达索公 司的C A T I A建立发动机缸体的三维实体模型。
在计算缸体结构固有振动特性时，网格划分应均勻。
由于气缸体固有频率和振型与它本身质量和刚度分布 有关，气缸体不存在应力集中现象，因此采用相对较均勻的四面体网格划分，对于气缸体结构的质量和刚度矩阵 的分布元素相差不大，分析的实体固有频率和振型较准确[9]。
采用S〇lid45计算实体自由模态，单元大小为4 m m，每个单元有8个节点，每个节点有三个方向自由度，适合不规则模型网格划分[1°]。
该缸体由灰铸 铁铸成，设置材料相关参数为：弹性模量£=1〇〇 G P a，泊松比M=0.3,密度^0=7 OCX)k g/m3。
划分后缸体节点数 为139 452,单元数为586 700。
收稿日期：2017 - 01 -03;修回日期：2017 - 04 - 20作者筒介：王楠（1988 -)，男，山东省惠民县，硕士研究生，主要研究方向为节能与新能源汽车。
通讯作者：赵清海（1985 -)，男，博士，主要研究方向为车辆新型动力传动技术及其电子化。
Email:zqhbit@第3期王楠，等：E A 888型发动机缸体模态分析141频率/H z图2 3号测点频响函数曲线频率/H z图3 3号测点相干函数曲线0.04 100.02)数据模态识别。
.通过L M S T e s t L a b 13A 测试分析，得到所测点的稳态图如图4所示…图中的“0”表 示极点不稳定;“f ’点表示只有模态频率不变；“d ”表示频率和阻尼不变；‘V *表示模态向量：不变；“s”表示得到的极 点和留点数基本不变[1=]。
只有稳定地标有“s ”的频率，才可以确定是真实的实验模态频率。
2缸体有限元模态分析为对比分析气缸体的计算模态和实验模态数据结果，采用仿真计算模型与测试系统相闻的边界条件[11]。
在实验模态测试分析时，缸体在弹性绳的约束下自由悬挂;理论计算肘，同样不加任何约束和力，所以前6阶固有频 率几乎为零•缸体模态分析从第？阶开始。
通过H y p e r m e s h 11.0进行模态计算M ，缸体前6阶模态频率如表1所示5由表1可以看出，缸体1阶固有频率达500 H z 以上，远大于汽油机最高转速时的激振频率，可见气缸体有限元仿真模塑的模态频率在合理范围内，避免了发动机共振现象的发生^表1缸体前6阶模态频率阶数有限元模型频率/Hz阵型特征阶数有限元模型频率/Hz阵型特征1534. 360绕尤轴的整体扭转41 602. 038绕尤轴2阶弯曲21 106. 610绕:y 轴的1阶弯曲51 731. 460绕轴的局部扭转31 566. 890绕•〇：轴的2阶弯曲61 734. 919绕：y 轴的2阶弯曲3发动机缸体的实验模态分析3.1实验模态测试系统实验系统由激振部分、拾振部分、数据采集及谱分析部分和曲线拟合及模态参数识别部分4个部分组成。
实验系统框图如_1所示s 3. 2发动机缸体的支撑及激励方式和测点的选取实验缸体选用自由支撑，用较软的弹性绳将试件悬挂起来，只是S 由-自由条件的近似6为使这种悬挂影响最小，悬挂试件的连接点度琢可能选择处于多的模态节遵Jfc 或者其附近。
.为了减少移动传感器对实验结果准确度的影响，该实验选择固图1实验系统框图定传感器，移动力棰*击测试点的非连接式单点激励^在布点位.賛的选择上V 尽量避免布在缸体的节点处，应尽 可能反应缸体的整体振动特性以及缸体的大体轮廓;而布点数量既要在主:要部位多布点，次要部位布点稀疏些， 也要保证总体布置较均匀。
结合实际情况，对缸体布置85个测点，并采用P C -D M I S 测出了它们的三坐标63.3实验模态数据处理1)数据处理。
缸体布置85个测试点，多次敲击测量得到各个点的传递函数及相千函数曲线，为避免对缸 体的固有特性分析造成影响，删除响应结果与线性相干性不好的点。
通过对不同测点的F R F 及C o h e re n c e 函数曲线进行分析，得3号测点频响函数曲线如图2所示，3号测点相I 午函数曲线如图2所示。
由图3可以看出，相午函数基本接近1,验怔了实验测试的可靠性。
(7?s )/產7M 3/lm.1420.45r青岛太学学报(.1程技术版）第32卷频率/H z 图4稳态图对于缸体的前6阶实验模态分析，通过模态置信矩阵 评价它们的振型相关性。
发动机气缸体模态置信矩阵的非 对角线元素越小，说明气f c 体各阶振型的独立性越好，传感 器配f i 的效果越好，反之，传感器的配置激果越差.前6 阶M a t r i x 图姐國5所示:。
、通过虜中模蠢眞信矩阵可知煎 6阶计算振型的独立性及传感器配置效果较好。
3.4实验模态结果及分析气缸体实验模态分析苽以识别系统的模态参数[14],用 得到的实验模态的结果去验证建立的气缸体有限元模型的ffi 确性9为分析气雜体绪构系统的振动特性，对振动故障的发生和预报以及其动力特性的优化设计提供依据，对气缸体的有限元模型迸行改进s 缸体实验模态固有频率和阻 尼比如裘.2所.示,。
表2缸体实验模态的固有频率和阻尼比图5 前6阶M atrix 图阶数频率/Hz阻尼比/-%阵型特征阶数频率/Hz阻尼比/%阵型特征l 503.4990. 15绕尤轴的整体扭转4I 648.7760• 19绕轴二阶弯曲2l 020.4660. 17绕:y 轴的一阶弯曲5I 691.2420. 20绕_0：轴的局部扭转3l 486. 7760. 14绕尤轴的一阶弯曲6I 730.7ll0• 18绕:y 轴的二阶弯曲4缸体有限元模态结果与实验模态结果比较、早期的动态分析是单独通过有限元模态分析或实验模态分析，但是二者都具有一定的局限性&5]，其分析结果不准确或误差太大。
有限元模态分析的阶数往往远大¥实验模态的阶数，分析出的前几阶固有频率也大于实 验的固.有频率值.因此本文将有限元和实验方法相结合来研究刚体的模态。
通过实验结果对比，不断修芷有限 元模型，最终再通过优化有限元模型去改进实体的动态响应[16\4.1相关性评价方法有限元模型可以通过以下3种模型进行修正：1) 刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵构成的空间状态模型。
利用优化法或摄动法直接对刚度矩阵、质量矩 阵和阻尼矩阵进行修正.2) 由模态频率和模态向:晕构成的模态模型s3)由足够多的频率响应构成的频率响应函数模型。
本文采用模态频率辅助于模态的振型分析比较。
琴舞52570 25702 <.88766 543321a f f i J f s s = g f od d d d s d s l /f f p ~(，I N .S )/«缠第3期王楠，等：EA888型发动机缸体模态分析1434.2固有频率分析缸体有限元模型固有频率与实验固有频率比较如表3所示。
由表3可以看出，计算模型固有频率和实验的固有频率误差在9%以内，说明有限元模型与实验模态模型的频率相关性较好。
表3有限元模型固有频率与实验固有频率对照表阶数实验频率值模型频率值误差％阶数实验频率值模型频率值误差％1503. 499534.360H- 6. 13941 648.7761 602. 038—2.83021 020. 4661 106.610+8.44051 691.2421 731. 460+2. 37031 486. 7761 566. 890+5. 38061 730.7111 734. 919+0. 2434.3缸体振型结果分析缸体实验和有限元计算的第1阶振型如图6和图7所示，缸体实验和有限元计算的第2阶振型如图8和图9所示。