【正文】 第一章 引言 1 第一章 引 言 課題的背景和意義 隨著社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，在注重汽車駕駛性能的同時(shí)，乘駕舒適性問題日益為人們所關(guān)注。最后，將模型文件導(dǎo)入 Virtual Lab 進(jìn)行振動噪聲 分析 并得出結(jié)論 。本文以常用的四缸發(fā)動機(jī)（ BJ130 輕型載重汽車）為例，應(yīng)用 軟件建立發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)各組成零件的幾何模型 ，并裝配形成機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型。 發(fā)動機(jī)工作時(shí) ，由于沖擊、摩擦、旋轉(zhuǎn)不均勻和不平衡力作用等原因，激起零部件的機(jī)械振動而產(chǎn)生噪聲。中 文 摘 要 I 摘 要 隨著車輛保有量的增長，車輛噪聲已成為城市噪聲的最主要來源。發(fā)動機(jī)的振動噪聲，是車輛噪聲的最大 來源 ，所以積極開展針對發(fā)動機(jī)噪聲的分析和控制方面的研究工作，對于改進(jìn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，提高舒適性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 特別是當(dāng)激振力頻率與零部件的固有頻率相一致時(shí)，會引起激烈的共振和噪聲。然后轉(zhuǎn)換成 .stp 文件導(dǎo)入 ANSY WORKBENCH 進(jìn)行模型簡化并進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)構(gòu)的振型及固有頻率，輸出結(jié)果之后將曲軸連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型寫成 .dat 格式，通過導(dǎo)入到 轉(zhuǎn)化成 .cdb 格式。 關(guān)鍵詞 ：曲軸連桿機(jī)構(gòu)，模態(tài)分析，有限元模型，振動噪聲分析 英 文 摘 要 II Abstract Along with the growth of the vehicle possession,the noise of vehicles has bee the main source of urban vibration noise of the engine is the biggest contributor to the vehicle carrying out actively the analysis and control work of engine has the important and practical significance for improving the fort of engine。汽車 NVH（噪聲、振動與舒適性）性能作為衡量乘駕舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)，已逐漸被客戶與汽車廠商所重視。汽車噪聲的大小 是 衡量汽車質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，因此，汽車噪聲的防治也是世界汽車工業(yè)的一個(gè)重要課題。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，噪聲污染控制已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展的最具有挑戰(zhàn)性的問題之一 。 通過噪聲分析以期找出降噪措施，可以提高汽車的舒適性和平順性，滿足人們更高的乘坐要求。 識別噪聲源，從而對發(fā)動機(jī)有關(guān)零件進(jìn)行改造，減輕汽車零部件的 磨損。 ，由于汽車噪聲占城市噪聲的比重很大，世界各國都制定了限噪的法規(guī)，我國也制定了車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)，并對新研制生產(chǎn)的車提出了更為嚴(yán)格的噪聲控制要求。象美國通用汽車公司和德國大眾汽車公司這樣的大公司，在新車型的開發(fā)中將車內(nèi)噪聲特性的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制作為整個(gè)車型開發(fā)中的一個(gè)重要步驟和環(huán)節(jié)。 第一章 引言 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 發(fā)動機(jī)是汽車的動力源，發(fā)動機(jī)噪聲占汽車噪聲的二分之一以上 ,包括進(jìn)氣噪聲和本體噪聲 (如發(fā)動機(jī)振動 ,配氣軸的轉(zhuǎn)動 ,進(jìn)、排氣門開關(guān)等引起的噪聲 )，因此發(fā)動機(jī)的減振、降噪成為汽車噪聲控制的關(guān)鍵。國外由于對發(fā)動機(jī)的振動噪聲問題認(rèn)識較早，已開展了長期系統(tǒng)的研究，無論是在發(fā)動機(jī)振動噪聲試驗(yàn)設(shè)備，還是在試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前面。 (2)國內(nèi)發(fā)動機(jī)研究狀況 由于我國在發(fā)動機(jī)噪聲研究方面起步比較晚，而且我國執(zhí)行的車輛和發(fā)動機(jī)的噪聲法規(guī)要求比國外低，噪聲控制的行政管理制度比國外寬松，從而導(dǎo)致國產(chǎn)車輛和發(fā)動機(jī)降低噪聲的研究工作的開展不如國外活躍，研究隊(duì)伍和研究條件薄弱，尤其是創(chuàng)造性的關(guān)鍵技術(shù)的研究不夠，僅滿足于跟蹤和達(dá)標(biāo)的治，所以我國發(fā)動機(jī)噪聲控制水平和低噪聲技術(shù)、設(shè)計(jì)方面等與國外相比還存在一定差距。我國應(yīng)逐步縮短與國外噪聲限值的差距，爭取盡快與國外先進(jìn)的噪聲水平同步。 內(nèi)燃機(jī)噪聲的識別技術(shù)，包括噪聲識別的方法 、 噪聲測量與數(shù)據(jù)處理。 內(nèi)燃機(jī)噪聲的控制研究工作者從 1980 年起參與新型內(nèi)燃機(jī)的變形設(shè)計(jì)過程，在內(nèi)燃機(jī)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就對結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲預(yù)測，作出噪聲評價(jià)，對發(fā)動機(jī)零部件實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。 發(fā)動機(jī)噪聲品質(zhì)研究。 發(fā)動機(jī)振動噪聲的研究方法 國內(nèi)對發(fā)動機(jī)振動噪聲的研究從未間斷，對 其 振動的研究方法也是多種多樣。國內(nèi)的一些研究單位或高校就進(jìn)行了發(fā)動機(jī)振動噪聲方面的研究工作，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的降振減噪做出 了貢獻(xiàn)。仿真結(jié)果為認(rèn)識內(nèi)燃機(jī)軸系扭振提供了較全面的參考信息，對實(shí)際工程分析具有一定的指導(dǎo)意義。并采用有限元方法進(jìn)行氣缸體振動特性的預(yù) 測并和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對比，結(jié)果吻合得較好 。 段秀兵等人在《基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的車用柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動態(tài)特性研究》中提到，以計(jì)算機(jī)建模和計(jì)算機(jī)仿真分析為核心的虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過將有限元方法（ FEM）與多體系統(tǒng)仿真（ MSS）結(jié)合在一起來解決內(nèi)燃機(jī)曲軸和機(jī)體的動力學(xué)問題，將使研究更加完善 。目前的研究趨勢：一是基于噪聲測試的噪聲識別技術(shù)，主要是通過噪聲測試，識別內(nèi)燃機(jī)某部件的噪聲大小及頻譜特性；其次是基于試驗(yàn)及現(xiàn)代信號處理方法進(jìn)行噪聲分離技術(shù)，如活塞敲擊噪聲與燃燒噪聲的分離問題。主要的時(shí)頻分析方法有短時(shí)傅里葉變換，小波變換、 S 變換以及 Hilbert 一 Huang 變換等。熟悉并深入了解發(fā)動機(jī)振動噪聲分析的方法，及常用軟件。 （ 3）在 ANSYS WORKBENCH和 ANSYS經(jīng)典界面 中建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)和單個(gè)曲軸零件的有限元模型，進(jìn)行 動力學(xué) 分析 ，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。 （ 4） 應(yīng)用 Vi 軟件對曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲場分析， 得到曲軸結(jié)構(gòu)第一章 引言 5 的聲壓級云圖 ，可為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。 Unigraphics Solutions 公司的 Unigraphics 作為中高端三維 CAD 軟件，具有功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是具有統(tǒng)一力的中高端設(shè)計(jì)解決方案。在制圖方面也做了重要的改進(jìn)，使得制圖更加直觀、快速和精確、貼近工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 UG NX 不僅具有 UG 以前版本的強(qiáng)大功能，而且還在 工業(yè)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)等方面增加了很多強(qiáng)大的新功能。 建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件 研究選用應(yīng)用比較廣泛、功能強(qiáng)大的三維 軟件首先建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各組成構(gòu)件的幾何模型，構(gòu)件件包括曲軸、飛輪、連桿體、連桿蓋、連桿襯套、連桿軸瓦、活塞、活塞銷以及螺栓、螺母。其主要尺寸參數(shù)如下：主軸頸直徑為 64mm，曲柄銷直徑為 58mm，曲柄臂厚度為 ，曲柄寬度為 71mm。 之后在圓柱體上依次插入 3 個(gè)凸臺，如圖 21 所示： 圖 21 凸臺 。并在圖23 所示位置拉伸出凸臺，在凸臺端面上創(chuàng)建圓柱體（曲柄銷），參數(shù)為直徑 58mm、高度 36mm。之后，在其端面上依次創(chuàng)建出凸臺、圓柱體（主軸頸），主軸頸參數(shù)為直徑 64mm、高度 40mm。 圖 22 草圖 圖 23 曲柄臂 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 8 如步驟 2，創(chuàng)建出第二單元曲拐，至此曲軸模型的 1/2已完成，如圖 25 所示。 圖 25 1/2 曲軸 模型 有參考文獻(xiàn)知，在進(jìn)行曲軸體及其它構(gòu)件建模時(shí)，為使有限元網(wǎng)格化與實(shí)體結(jié)構(gòu)一致，保證計(jì)算結(jié)果的模態(tài)特性，在不影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的原則下，對曲軸體及其它構(gòu)件進(jìn)行了簡化處理，省略了小尺寸結(jié)構(gòu)，如不必要的倒角、小孔等。在兩個(gè)凸臺底面上進(jìn)行平面偏置，偏置距離為 。在連桿體中部創(chuàng)建草圖并拉伸 5mm，并進(jìn)行修剪，得到連桿體的 1/4。在連桿體前后兩端，插入常規(guī)孔。 圖 27 連桿凸臺 圖 28 連桿體實(shí)體模型 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的其它零件如圖 29 至 219。打開 UG中的裝配模塊，利用“添加組件”命令添加連桿體與連桿襯套，選擇“裝配約束”中的“中 心”命令，完成兩者的裝配。如下圖 220： 圖 220 活塞連桿組 （ 2）重新打開一個(gè) .assembly2 文件，進(jìn)行曲軸飛輪組的裝配。 圖 221 曲軸飛輪組 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 12 （ 3）然后在 .assembly2 文件中添加 .assembly1 中的活塞連桿組件，選擇“裝配約束”中的“中心”命令，在四個(gè)曲柄銷上分別進(jìn)行活塞連 桿組與曲軸飛輪組的裝配，最后形成了曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型 如圖222。 第三章 有限元動力學(xué)分析理論 13 第三章 有限元動力學(xué)分析理論 有限元的理論基礎(chǔ) 有限元的概念：把一個(gè)原來是連續(xù)的物體劃分為有限個(gè)單元，這些單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，承受與實(shí)際載荷等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠整體進(jìn)行綜合求解。有限元法的基本思想 — 離散化。 首先，把連續(xù)系統(tǒng)離散為數(shù)目有限的單元，單元之間僅在數(shù)目有限地指定點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)）處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體以代替原來連續(xù)系統(tǒng)。 然后，對每個(gè)單元采用分塊近似的思想，選擇一個(gè)插值函數(shù)建立待求節(jié)點(diǎn)位置與單元內(nèi)部的關(guān)系，引入幾何方程、物理方程等對每個(gè)單元的特性進(jìn)行分析。 有限元的基本求解步驟：（ 1）結(jié)構(gòu)的離散化。（ 3）建立控制方程。（ 5）計(jì)算單元中的其他導(dǎo)出量 由于有限元法在解決工程技術(shù)問題時(shí)的靈活、快速及有效性，再加上第三章 有限元動力學(xué)分析理論 14 它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，所以發(fā)展非常迅速。 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ) 模態(tài)：模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)分析是其它振動分 析的基礎(chǔ)， 例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、 諧響應(yīng)分析和譜分析，也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分 析 過程。通過結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以有效地選擇合理的設(shè)計(jì)方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的驗(yàn)證。 根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)以某個(gè)固有頻率振動時(shí)所呈現(xiàn)出的振動形態(tài)為模態(tài) ,此時(shí)系統(tǒng)各點(diǎn)位移存在一定的比例關(guān)系 ,稱固有振型。 在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中，機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為多個(gè)共振區(qū)。 由于模態(tài)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)由結(jié)構(gòu)本身的特性所決定，與外載荷無關(guān)，即 ??Ft=0；而結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率的影響很小，可以忽略。 式 (5 ) 是關(guān)于 w 的 n 次方程，解方程可得到結(jié)構(gòu)的 n 個(gè)固有頻率，每個(gè)固有頻率都有一個(gè)相應(yīng)的振型向量。 此時(shí)的振動系統(tǒng)一般存在 n 個(gè)固有頻率和 n 個(gè)主振型，每一對頻率和振型代表一個(gè)單自由度系統(tǒng)的自由振動，這種在自由振動時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)?？蛇M(jìn)行有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、大變形靜力分析后有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有預(yù)應(yīng)力的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，無阻尼和有阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。 模態(tài)分析的過程由四個(gè)主要步驟組成：建模、加載及求解、擴(kuò)展模態(tài)、觀察結(jié)果。這里需要注意兩個(gè)問題： a、在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的。如分析中包含了接觸單元，則系統(tǒng)取其初始狀態(tài)的剛度并且不再改變此剛度值。在模態(tài)分析中必須定義彈性模量 EX（或 某種形式的剛度）和密度 DENS（或某種形式的質(zhì)量）。 （ 2）加載及求解 第三章 有限元動力學(xué)分析理論 17 首先定義分析類型、定義載荷和邊界條件、定義加載過程和定義求解選項(xiàng)，然后進(jìn)行固有頻率的求解。如果在某個(gè)自由度上指定了一個(gè)非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束替代。 （ 3）模態(tài)擴(kuò)展 擴(kuò)展 模態(tài)是指將振型寫入結(jié)果文件，如果要在后處理器中察看振型，就必須先進(jìn)行擴(kuò)展。 模態(tài)擴(kuò)展的過程是在求解后完成后，再次進(jìn)入求解層，用 MXPAND命令定義響應(yīng)的參數(shù)，然后再次求解即可?？刹炜锤鬏d荷步（對應(yīng)模態(tài)數(shù)目）的結(jié)果，可用 SET設(shè)置載荷步，用 PLDISP 觀察振型，用 MLIST 列出主自由度，定義單元觀察應(yīng)力分布，用 PLNSOL 或 PLESOL 顯示節(jié)點(diǎn)或單元結(jié)果等。 諧響應(yīng)理論 任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)，該周期響應(yīng)稱為諧響應(yīng)。諧響應(yīng)分析只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)第三章 有限元動力學(xué)分析理論 18 受迫振動，而不考慮在激勵開始時(shí)的瞬態(tài)振動。 通過諧響應(yīng)分析可以計(jì)算出外界載荷激勵下曲軸的響應(yīng)。 進(jìn)行諧響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)，理想狀態(tài)是沒有出現(xiàn)幅值很大的峰值，如果出現(xiàn)也應(yīng)該是應(yīng)力與應(yīng)變的峰值對應(yīng)的激勵頻率基本相同，而該頻率最好是正常工作可能激起的頻率之外。 指定一個(gè)完整的簡諧載荷需要輸入 3 個(gè)數(shù)據(jù)，即振幅，相位角和強(qiáng)制頻率范圍。為下一章完成曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，利用有限元對曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析奠定了基礎(chǔ)。 Ansys 分析過程分為前處理、求解及后