流固耦合有限元法用于油底壳模态计算

引言

    油底壳属薄壁件,其表面辐射噪声约占柴油机总辐射噪声级的15～22%左右。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,国内外多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。通过模态试验得到了无润滑油存在时的油底壳振动参数；利用有限元法得出结构的振动参数,并以此为依据进行优化设计。在辐射噪声计算方面,利用边界元法预测了内燃机部件的辐射噪声。此前进行的工作大多并未考虑润滑油的存在对油底壳振动的影响,而内燃机运转时,润滑油必不可少,因此有必要考虑润滑油的存在对油底壳振动的影响。考虑了耦合振动的影响,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流固耦合有限元法概述流固耦合有限元法,一般用于流体质量对结构振动的影响不可忽略的场合,其基本理论如下:

公式1 模态计算公式

    其中: KS、MS ———结构刚度、质量矩阵

　          KF、MF———流体刚度、质量矩阵

　          FS、FA ———结构、声载荷向量

2 模态计算比较

    本文首先计算了不含润滑油的油底壳结构模态,并与试验数据进行比较,验证了结构模型的正确性;接着对含润滑油的油底壳进行了耦合模态计算,并与此前的计算结果进行了比较,发现结构的振型和频率均有较大变化。

    2.1 结构模型的计算与验证

    图1为计算所采用的有限元模型示意图,共3872个单元、1986个节点, 结构尺寸为X—0.653m、Y—0.19m、Z—0.322m。

图1 油底壳有限元模型

    表1对计算与实验(锤击法)所得的油底壳前4阶模态频率进行了比较,最大误差不超过5.7% ,这说明计算所建立的有限元模型具有足够的精度用于工程计算。

表1 试验与计算模态频率比较

    另外,由于试验采用单点锤击法,使得某些油底壳固有频率尚未激发出来,这样就出现了表1中的情况,即频率并不是严格按照阶数的顺序进行比较

    2.2 模态比较

    由于发动机工作时油面高度会有所变化,所以本文计算了油面高度依次为油底壳总高度1/4、3/8、1/2、5/8、3/4时的油底壳耦合模态。