复杂结构有限元建模的验证方法

前言

    目前用有限元法对所研究的物体的动态特性进行分析是十分有效的，但准确的分析结果需要精确的几何模型，对与较复杂的结构建立有限元模型时，精确的模型不仅大大增加建模工作量而且又会增加对计算硬件和计算时间的要求。为了减少建模工作量，计算机时及所需存储空间，往往要对实际模型进行简化。在对模型进行简化的过程中，具有不同实践经验的研究者，会得到不同的简化模型。另外建立有限元模型时,存在各种理论假设、边界条件的近似、材料参数的不确定性、阻尼特性被忽略或者远远不够精确等因素,使得有限元模型和试验模型之间不可避免地存在误差, 并且这些误差也可能很大。如何对模型进行合理的简化，协调好计算精度与模型简化之间的关系，本文以发动机曲轴箱为例，给出一种建立合理有限元力学模型的方法。通过试验得到的具有较高可信度的模态参数与有限元计算的模态参数进行相关分析，根据相关分析的结果，修改原始的有限元模型，再用试验模态和修改后的有限元计算模态进行相关性分析，直至得到具有较高模态置信度的有限元模型。从而为基于此有限元模型的动力学优化设计，故障诊断等奠定了基础，具有较高的工程实用价值。

1 发动机曲轴箱有限元几何模型的建立和模态参数的计算

    在建立有限元模型的过程中，为了减少建模工作量提高工作效率，建立模型时抓住曲轴箱的主要结构，人为的对曲轴箱作了一定的简化，忽略一些受载较小或影响甚微的区域，如小的螺纹孔和一些不重要的加强筋等。在计算结构固有特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较稀疏的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较密的网格。本文计算曲轴箱的前七阶模态参数。图1为曲轴箱的三维实体有限元模型。选用单元类型为SOLID92,6008个单元，12386个节点。提取模态的方法为Block Lanczos法，计算结果如表1所示。

2 基于LMS Test. Lab发动机曲轴箱试验 模态分析

    2.1模态试验方法及结果

    结构的支承方式采用柔性橡皮绳将曲轴箱自由悬挂, 目的是为了隔离环境振动干扰和排除基础的振动模态对试件模态的影响。测试中在曲轴箱上布置了8个加速度传感器，作为锤击的响应点，通过力锤的移动来激励曲轴箱的不同部位和不同方向作为输入信号（共163个），每个激励点敲击3次，所有各点的频响函数均进行3次平均,以提高其分析精度。测试中得到的全部频响函数如图2所示。

    真实模态数可通过最小二乘稳态图来判断。曲轴箱模态测试中得到的稳态图如图3所示。如果每次增加计算模态数后，得到的极点和留数都基本不变，则在该频率处注上符号“s”（stable）；如果只有模态频率不变，则注上“f”；只模态阻尼比不变，则注上“d”；只留数不变，则注上“v”。只有稳定“s”的频率才可确定是真实的模态频率。根据稳态图选取频率范围在3000Hz范围内的极点作为结果模态。然后用LSFD方法（最小二乘频域法）来计算所选取模态的振型和结构阻尼。最终的模态参数计算结果如表2所示