发动机曲轴有限元模态分析方法研究.pdf

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1、10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.002发动机曲轴有限元模态分析方法研究高波，彭永旗（长安大学汽车学院，陕西西安710064）摘要：为了研究有限元模态分析法及分析曲轴的振动特性对发动机产生的不良影响，利用CATIA建立曲轴的实体模型，并用Hypermesh建立曲轴的有限元模型，并基于有限元理论，对曲轴进行自由模态分析，获得曲轴的前10阶固有频率和振型，通过分析，为曲轴的动态特性研究、优化设计及振动控制提供参考依据。关键词：曲轴；有限元；模态分析中图分类号：U464文献标识码：A文章编号：1671-

2、7988(2017)08-03-03FiniteelementmodalanalysisofenginecrankshaftGaoBo,PengYongqi(AutomobileInstitute,Chang'anUniversity,ShaanxiXi’an710064)Abstract:Inordertostudythefiniteelementmethodandavoidthebadinfluenceofthecrankshaft.ThepaperusedtheCATIAsoftwaretoestablishsolidmod

3、elofcrankshaft,thecrankshaftisdividedbyHypermesh,andthefiniteelementanalysismodelisestablished.Basedonthefiniteelementtheory,thefreemodalanalysisofthecrankshaftiscarriedout.Naturalfrequenciesandmodeshapesofthefirst10orderofthecrankshaftareobtained.Throughtheanalysis,t

4、oprovidereferencefortheresearchofthedynamiccharacteristicsofthecrankshaft,optimizethedesignandvibrationcontrol.Keywords:crankshaft;finiteelement;modalanalysisCLCNO.:U464DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2017)08-03-03动机曲轴为例，利用CATIA软件及Hypermesh软件相结合，前言采用有限元分析法进行曲轴的自由模态分

5、析。曲轴是汽车发动机中最重要的也是最易损坏的部件之1、有限元模态分析理论一。曲轴在工作中承受着气缸内周期性载荷的作用，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸，压缩，弯曲和扭转的复合对曲轴进行自由模态分析可以确定曲轴的固有频率和振[3]应力，同时还有振动，由于曲轴自身具有一定的固有振动频型。曲轴的固有频率和振型是曲轴结构设计中的重要参数。率，曲轴在这些力的作用下工作，当激振频率与其自身的固根据振动理论和有限元理论，对于多自由度系统，将所有自有振动频率相同时，就有可能在发动机的工作范围内产生强由度对应的位移用向量表示，则其振动微分方程为：

6、烈的共振现象，从而导致曲轴过早地出现扭转疲劳破坏和弯（1）[1]曲疲劳破坏，甚至可能造成曲轴断裂。所以，有必要对曲式中：[M]为系统质量矩阵；[c]为阻尼矩阵；[k]为刚度[2]轴进行动态特性及响应分析的研究。常用的方法是通过理矩阵；{F(t)}为输入力向量；{x}、、分别为系统节点位论求解曲轴的各阶模态参数的有限元分析法。本文以四缸发移向量、速度向量和加速度向量。通常[M]及[k]矩阵为实系作者简介：高波（1991-），男，就读于长安大学汽车学院，载运工数对称矩阵，而其中的质量矩阵[M]是正定矩阵，刚度矩阵[k]具运用工程专业。

7、2017年第8期高波等：发动机曲轴有限元模态分析方法研究4对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自3、曲轴的模态分析由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵[c]为3.1曲轴固有频率对称矩阵。[M]、[k]、[c]矩阵均为（N*N）阶矩阵。曲轴的自由模态是由其自身的结构特性和材料属性决定在对曲轴进行模态分析时，求解的是曲轴的固有模态，的，与外部载荷无关，不需要对其施加任何的约束和力，所而固有模态与曲轴所受到的外载荷无关，而且，结构阻尼对以本文采用自由模态的分析方法，在不加任何约束和力的状固有频率的影响很小，实际

8、情况中发动机的阻尼可以忽略不态下对曲轴的自由模态进行计算。计，所以在求曲轴的固有频率和振型时，一般不考虑阻尼，本文提取了曲轴的前16阶模态的固有频率和振型，由于所以（1）式则可以简化为无阻尼的自由振动方程：曲轴处于自由状态，没有施加任何约束和力，所