基于精確動態(tài)剛度矩陣法的內(nèi)燃機軸系扭轉(zhuǎn)、縱向及彎曲三維耦合振動研究.pdf

1、振動問題是內(nèi)燃機的一種主要的噪聲和危害來源。為了提高內(nèi)燃機的可靠性，降低內(nèi)燃機的工作噪聲，改善內(nèi)燃機車輛的舒適性，現(xiàn)代內(nèi)燃機設計中提出了NVH(Noise，Vibration&Harshness)的概念。內(nèi)燃機軸系振動是內(nèi)燃機各種振動中的主要振動之一，其振動形式是較復雜的三維空間振動，主要包括同時耦合發(fā)生的扭轉(zhuǎn)、縱向和彎曲振動。內(nèi)燃機軸系振動的研究，比如振動計算與試驗、減振避振等，都已取得了較大的進步?？墒侵钡阶罱?，這些研究仍局限于一種

2、或兩種振動形式的獨立分析。本論文以動態(tài)剛度矩陣和精細時程積分法為基礎，分析了內(nèi)燃機軸系的三維耦合振動形式。 本文首先推導了空間連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)、縱向、彎曲(考慮剪切變形和轉(zhuǎn)動慣量影響)振動時，兩端狀態(tài)向量之間的傳遞矩陣。使用變換關(guān)系將該矩陣轉(zhuǎn)換為空間連續(xù)梁單元的動態(tài)剛度矩陣，該剛度矩陣能夠正確地描述空間連續(xù)梁單元的物理模型。使用空間連續(xù)梁單元可以建立內(nèi)燃機軸系的計算模型，按照通用有限元程序總剛度矩陣的組裝方法既可組成系統(tǒng)的總動態(tài)

3、剛度矩陣。在自由振動求解時，為了克服插值搜根法等自由振動固有頻率數(shù)值計算方法容易“丟根”、收斂速度慢的缺點，本文選用了Williams-Wittrick方法(W-W法)。該方法可以有效地求出任意頻率范圍內(nèi)的所有固有頻率(包括重特征根)。結(jié)合傳統(tǒng)的振動理論，推導了空間結(jié)構(gòu)自由振動固有振型的計算方法。本方法可以較準確地計算空間三維框架結(jié)構(gòu)和多缸發(fā)動機曲軸系自由振動的固有頻率和固有振型問題。 第二，以流體動力潤滑理論為基礎，對徑向滑動

4、軸承和推力軸承的動態(tài)特性進行分析。結(jié)合有限元方法，分析了軸承承載能力的計算方法和過程。用四節(jié)點平面等參單元將軸承的承載區(qū)進行劃分，選取Gümbel邊界條件，求解Reynolds方程，計算出徑向滑動軸承的周向和軸向的壓力分布。以此為基礎，計算出徑向滑動軸承的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)等動態(tài)特性參數(shù)。 第三，進行內(nèi)燃機軸系強迫振動計算。分析了軸系中各部件的單元動態(tài)剛度矩陣，系統(tǒng)總動態(tài)剛度矩陣的組裝方法，在相應的頻率下從總動態(tài)剛度矩陣中求出系

5、統(tǒng)的總質(zhì)量矩陣和總剛度矩陣的方法以及內(nèi)燃機軸系強迫振動的主要激勵來源等。通過上述分析，建立了內(nèi)燃機軸系強迫振動的數(shù)學模型。比較各種時域振動分析方法，選擇使用精細時程積分法進行系統(tǒng)的時域強迫振動計算。通過算例檢驗，本方法有較高的計算精度和較小的計算量。 第四，在上述計算方法的基礎上，以6110柴油機為實例進行了相應的分析計算。主要分析了多種狀態(tài)的軸系自由振動，油膜支承的動態(tài)特性參數(shù)及其對系統(tǒng)自由振動固有頻率的影響，系統(tǒng)強迫振動的時

6、域響應。還使用集中質(zhì)量法計算了軸系的扭轉(zhuǎn)振動，并在6110柴油機臺架上進行了扭轉(zhuǎn)振動的實際測量，兩者有很好的一致性。為了增加VA-10振動測試分析儀的實用性，開發(fā)了相應的通訊程序，使該儀器可以很好地與計算機通訊。使VA-10能夠方便地進行內(nèi)燃機軸系縱向振動和內(nèi)燃機機體表面振動的測量。 最后，為了在實際工程中更好地降低內(nèi)燃機軸系的振動，研究了減振器的概念性設計。結(jié)合無減振器6110柴油機軸系強迫振動的實際特點，提出使用三質(zhì)量系統(tǒng)簡