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振动与冲击
第 22 卷第 4 期 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol. 22 No. 4 2003
流固耦合有限元法用于油底壳模态计算
张亮1 袁兆成2 黄震1
(1 上海交通大学内燃机研究所,上海 200030 ;2 吉林大学汽车工程学院,长春 130025)
摘要本文运用流固耦合有限元法,对有润滑油存在的油底壳进行了耦合模态计算,发现润滑油的存在对油底
壳的模态频率和振型影响较大。由于流体的存在,使油底壳的模态频率大幅下降,振型也发生了较大变化。本文还通过
计算对上述影响进行了数值预报。
关键词:油底壳,润滑油,流固耦合有限元法,耦合模态
中图分类号:TK421 + . 6
0 引言 u ———节点位移向量
p ———节点压力向量
油底壳属薄壁件,其表面辐射噪声约占柴油机总
ω———圆频率
辐射Ξ噪声级的 15~22 %左右[1 ] 。因此,研究油底壳振
动对于降低柴油机噪声具有较大意义。目前,国内外 2 模态计算比较
多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。文
本文首先计算了不含润滑油的油底壳结构模态,
献[1 ] 、[2 ]通过模态试验得到了无润滑油存在时的油
并与试验数据进行比较,验证了结构模型的正确性;
底壳振动参数;文献[3 ] - [ 5 ]利用有限元法得出结构
接着对含润滑油的油底壳进行了耦合模态计算,并与
的振动参数,并以此为依据进行优化设计。在辐射噪
此前的计算结果进行了比较,发现结构的振型和频率
声计算方面,文献[ 6 ]利用边界元法预测了内燃机部
均有较大变化。
件的辐射噪声。此前进行的工作大多并未考虑润滑
2. 1 结构模型的计算与验证
油的存在对油底壳振动的影响,而内燃机运转时,润
图 1 为计算所采用的有限元模型示意图,共 3872
滑油必不可少,因此有必要考虑润滑油的存在对油底
个单元、1986 个节点, 结构尺寸为 X ———0. 653m、
壳振动的影响。文献[ 7 ]考虑了耦合振动的影响,文
Y———0. 19m、Z ———0. 322m。
献[8 ]介绍了一种有限元耦合方法在结构振动计算中
的应用。本文以 4118Z 型柴油机油底壳为例,采用软
件 Sysnoise ,通过运用流固耦合有限元法,计算了有润
滑油存在的油底壳振动模态,并与无润滑油存在的油
底壳模态作比较,发现油底壳的模态振型和频率均有
较大变化。基于以上计算,本文对上述影响进行了数
值预报。
流固耦合有限元法概述
1 图 1 油底壳有限元模型
流固耦合有限元法,一般用于流体质量对结构振表 1 对计算与实验(锤击法) 所得的油底壳前 4 阶
动的影响不可忽略的场合,其基本理论如下[9 ] : 模态频率进行了比较,最大误差不超过 5. 7 % ,这说明
2 t 计算所建立的有限元模型具有足够的精度用于工程
KS - ω MS C u FS
=
2 计算。
C KF - ω M F p FA
另外,由于试验采用单点锤击法,使得某些油底
其中: KS 、MS ———结构刚度、质量矩阵
壳固有频率尚未激发出来,这样就出现了表 1 中的情
C —