基于CATIA 发动机曲轴的模态分析
2018-3-20 来源：九江学院机械与材料工程学院 作者：蓝远茂 曾宪任 邓棉长
摘要院本文主要应用CATIA 软件对汽车发动机曲轴进行三维建模，并利用CATIA 中的分析模块对曲轴进行了模态分析，得到了发动机曲轴的各阶固有振动频率及相应的振型。将分析结果与发动机的工作频率进行比较分析，结果表明：该曲轴结构设计避开共振区。
引言
随着计算机技术的发展，有限元分析技术在各个领域的应用也越为广泛，特别是结构振动方面。在结构强度与应力计算、模态分析中应用广泛[1]。在早期，有限元技术主要应用于大型建筑工程[2]，国家重大机械工程项目[3]，航空工业[4]和汽车工业[5]等。而今，已应用与各个领域，同时也伴随着相应的仿真计算软件的出现。对有限元分析软件，ANSYS 应用最为广泛，但它的建模功能较弱。通常都是在pro-e，UG 和CATIA 等专用三维软件中建立零件的三维模型，再将模型导入到ANSYS 等分析软件中。由于这个数据的导出和导入过程，通常会出现数据错误，给工程分析带来麻烦。本文则直接在CATIA 软件中建立模型并直接进入有限元分析模块，避免数据的转换带来数据错误，实现了数据间的完美传递，提高分析效率，确保了研究的可靠性。
1、发动机曲轴的三维建模
本研究课题的研究对象为捷达发动机，通过对实验室发动机进行现场测绘并建立三维模型。测量曲柄连杆机构所用的测量工具为游标卡尺、直尺、三角板等。所测实物包括曲柄、连杆、活塞销、油环、气环和活塞等。图1 为现场测绘图，表1 为相应外形尺寸。
图1 实验室曲柄连杆实物测量
通过CATIA 的零件设计工作台，主要通过草绘、拉伸、旋转等操作，完成对发动机曲轴三维模型的建立。所建立的三维模型如图2 所示。
图2 曲轴的三维模型图
2、曲轴的模态分析
由于连续结构具有无穷阶模态。在各阶模态中，最低阶模态的振动最强，随着阶数的增加，振动强度呈指数衰减。因此，对曲轴模态研究，仅需要对曲轴的前几阶模态进行研究即可。本文只对曲轴的前十阶模态进行分析，得到了曲轴的前十阶固有频率与振型。研究结果为防止共振提供依据，而且有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。由于主要考虑曲轴是否产生共振现象，所以计算时让曲轴处于无约束状态下[17]，这里则为自由模态分析。
对曲轴进行模态分析是在有限元分析的模块里。首先加载如曲轴零件，赋予材料的的属性后进入有限元分析模块。点击开始-分析与模拟generativestructural Analysis 进入有限元模块。然后点击插入-frequency case-去约束-点击确定。在左边模型树的下面找到frequencyCase Solution.1-左键双击它进入阶数选择，选择lanczo 和shift,在shift 选择auto，下面的频率保持不点击确定，如图3 所示。
图3 阶数选择
点击计算图标，选择计算所有，完成后点击米赛斯应力图。在frequency CaseSolution 模型树下找到Translationaldisplacement vector.1，然后左键双击计入ImageEdition, 点击Occurrences 得到十阶模态所对应的的频率，选择不同的阶数，会得出不同阶数的模态对应的频率，如图4 所示。表2 为曲轴前十阶固有频率。当然可以将结果直接输出到文件中保存起来以便日后观看，具体方法参照有限元分析生成报告那一节。
图4 曲轴前十阶结果
本文还通过动画的效果查看所有的计算模态。点击，出现动画定义对话框，点击播放按钮，就可以看到模型各个频率的形状，如图5。
图5 动态模拟
3、结果分析
通过求出来前十阶的振型和频率结果来看，曲轴的前六阶的固有频率接近零为刚体模态，而后四阶固有频率，振型出现扭曲变形。同时有振型图可以发现曲柄臂和主轴颈、曲柄臂和连杆颈连接处是曲轴振动中的危险区域，所以在曲轴的设计中应充分考虑连接处圆角的大小及曲柄臂的设计参数。因为前六阶的固有频率接近零，可以认为近视认为第一阶频率从第七阶算起，即最低频率为525.196Hz。而发动机的额定转速为5800 转每分钟，它的频率为96.67Hz，可以得出该曲轴的最低谐次频率高于基频，不能共振。综合上所分析，该曲轴动态性能可以满足设计要求。
4、结论
本文采用CATIA 软件对发动机曲轴进行了三维建模，之后直接进入CATIA 软件自带的分析模块，对发动机曲轴进行模态分析，得到曲轴的前十阶自由模态，获得了曲轴的前十阶固有频率和振型。通过与发动机工作频率比较，证明了曲轴设计的合理性，同时也验证了通过CATIA软件对曲轴模态分析的高效与可靠性。
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