摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.3 研究内容 2

1.4 技术方法及流程路线 3

1.4.1 本文主要技术方法 3

1.4.2 主要流程路线 3

第二章 船用柴油机气缸套有关知识 4

2.1气缸套的基本知识 4

2.1.1气缸套的定义与结构 4

2.1.2 气缸套的工作条件 4

2.1.3 气缸套的作用 5

2.2 气缸套振动机理 5

第三章 有限元分析软件介绍 6

3.1 三维建模软件概述及其特点 6

3.1.1 野火（Pro / E）软件简介 6

3.1.2野火（Pro / E）软件的特点 6

3.1.3 研究 Pro/E 三维实体造型的意义 6

3.2 Ansys软件的有关知识 7

3.2.1 Ansys软件的发展背景及功能作用 7

3.2.2 Ansys软件的基本组成部分 8

第四章 理论模态分析 10

4.1 模态分析概述 10

4.2 模态分析理论 10

4.3柴油机缸套的有限元模态分析 12

4.3.1有限元分析的理论知识介绍 12

4.3.2气缸套模型建立 14

4.3.3 有限元模型的创建 14

4.3.4 约束条件的施加 15

4.3.5 应力分布云图与变形分布云图 15

4.3.6 理论模态分析结果 15

4.4 本章小结 18

第五章 气缸套模态分析实验研究 19

5.1 试验模态分析方法及理论 19

5.2试验仪器 19

5.3 试验模态分析方案 20

5.3.1实验步骤 20

5.3.2试验器材支撑方式的选择 20

5.4 进行试验 20

5.5本章小结 25

第六章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

摘 要

气缸套是船用柴油机上一个重要零部件，在柴油机将燃料的化学能转化为机械能的过程中起着至关重要作用，其工作状态的好坏直接影响船舶动力系统的运行状况。而模态分析是研究结构动力学的一种常用方法，通过理论与计算可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱，这对减少柴油机气缸套工作过程中不利振动有很大的意义。因此对某柴油机气缸套进行模态分析具有一定的理论意义和实际应用价值。

本文使用了Pro/E软件，对柴油机气缸套进行了三维实体建模，并将其导入到Ansys软件中进行有限元模态分析，得到其前六阶的固有振型频率与振型图，随后对其进行试验模态验证分析，并将试验分析的结果与理论计算所得到的固有振型频率与振型图进行对比，结果发现，理论计算与试验验证的结果大体相近，验证了理论计算的正确性。

关键词：柴油机气缸套；三维实体建模；模态分析；试验验证

Abstract

The cylinder liner is an important component of the marine diesel engine. It plays a crucial role in the process of converting the chemical energy of the fuel into mechanical energy. The working status of the cylinder liner directly affects the operating status of the marine power system. Modal analysis is a common method to study structural dynamics. Theoretical and computational methods can predict the response history or response spectrum of the actual vibration of the structure, which is of great significance for reducing the adverse vibration in the cylinder liner of diesel engine. Therefore, the modal analysis of the cylinder liner of a diesel engine has certain theoretical significance and practical application value.

In this paper, Pro/E software was used to perform 3D solid modeling of the cylinder liner of the diesel engine and import it into Ansys software for finite element modal analysis to obtain the first six orders of natural vibration frequency and vibration pattern, followed by The experimental modal verification analysis was carried out, and the results of the experimental analysis were compared with the natural mode frequencies and mode shapes obtained from the theoretical calculations. The results showed that the theoretical calculations and the experimental verification results were roughly similar and verified the theoretical calculations.

Keywords: Diesel engine cylinder liner; 3D solid modeling; Modal analysis; Test verification.

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

在19世纪末，工业史上第一台四冲程柴油发动机是建立在德国科学家Rudolf Diesel于1882年提出的柴油机工作原理基础上发明的。近100多年来，柴油机技术得到了充分的发展和广泛的应用。大多数文献表明，在节能及能量利用率与热效率方面，柴油机具有良好的性能且是一种优秀的机型。而在柴油机部件里，气缸套则是其重要组成部分。

气缸套是一个形似圆筒形的零件，放置在缸体的缸孔内，与上缸盖紧紧固定。由于某些气缸套的特殊外部特征，它具有与气缸上盖和活塞一起构成气缸的工作空间，可承受活塞侧向推力并成为活塞往复循环运动的导程的功能。二冲程柴油机中有气口，由活塞控制启闭，从而实现气缸配气。气缸套工作环境差，磨损原因多。一方面由于自身工作环境与属性会导致正常磨损，这是无法避免的。另一方面，不正确的使用和修理可能会导致异常磨损。所以气缸套的性能对柴油机的整体性能起着重要的作用，而正因此，对气缸套进行模态分析也是非常必要的^[1]。

模态分析是研究结构动力的一种通用方法，通常应用于工程振动方向。其中模态是指机械结构的自然振动特性，而模态分析是指分析上述自然振动特性的过程。由于运算方式构成不同，模态分析包括两种类型，其一是试验模态，其二计算模态。在许多资料里，模态分析几乎都说的是由实验得出的模态分析结果。运用模态分析方法可以预测由于外部或内部振源导致的该频率范围中结构的实际振动。有限元计算可得到计算模态数据；参数识别可得到实验模态数据。因此模态分析是结构设计和设备故障诊断的重要手段。

1.2 国内外的研究现状分析

导纳理论、机械阻抗的重要概念促使了模态分析方法的产生与发展。机械阻抗的研究发展至今较为完备。其中理论模态分析是从线性振动理论基础上发展而来的。方法是使用有限元方法对结构进行离散化，从而对系统和激振的关系进行深入研究，以此来获得系统的固有频率与振型矢量等。以求得模态参数为总目的和总意义。其具体分析步骤为：首先使用实验测量的响应时间历程和激振来查找脉冲响应函数。这是实验模态分析中重要的一步，之后是利用参数识别，开始模态系数求解。目前，结合有限元分析方法和实验模态分析方法，两者相辅相成、有意识的进行联合分析是绝大多数文献所采用的表述方式。此外这里的模态参数多包括模态阻尼比，固有频率、固有振型等，而我们重点研究的参数是模态质量、模态刚度和模态阻尼比，即显示模态频率共振的区域，与每个频率处结构的相对变化。采用试验模态分析结果对原来有限元动力分析模型展开验证；之后用可修正与优化处理原有的有限元模型。

20世纪30年代，已有文献阐述模态分析； 20世纪60年代，有关单点正弦激振的记录在一些专业书籍里出现，作用是创建商用模拟式频率响应函数分析仪；到20世纪70年代，数据采集系统已广泛使用动态测量方式，使得模态成为各个工业领域普遍应用的单入口和多入口基础；在20世纪80年代后期至90年代，模态分析在结构的动力改动与结构性能评测中得到广泛地普及和深入地发展。

除此之外，有限元法这种数值计算的方法，在工程应用中取得无心插柳的收获，这为有限元理论提供了思路，比如在杆系结构力学中也取得了较大的科研收获。1943年，Courant提出有限元相关解决方案，求解St．Venant扭转问题。1954年，Argris J.H.完善条形矩阵位移法，可用于分析连续介质的问题。1955 年，美国波音飞机制造公司工程师TurnerM．L 和Clough．R，W首先使用直接刚度法解决平面应力问题，并导出了单元的刚度矩阵。1969 年，Oden J．T．将有限元方法推广应用到加权残值法求解热弹性问题。进入80年代后，有限元方法应用扩展到空间问题、外壳问题和其他学科。同时，随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，其更强的分析能力以及更直观的结果显示能力的优点又得到了显著的提升，并且正在越来越多地被计算机械辅助设计CAD软件集成在一起，形成了一个新的CAE领域。在国内，西安一振动工程学院从研究传统模态分析转到工作模态分析，已发布在环境激振下确定工作模式参数的文章^[2]。

1.3 研究内容

本文以船舶柴油机气缸套模态分析为主要研究内容, 每一章的主要内容如下：

第一章是论文的绪论部分，主要介绍了该篇文章的研究背景、研究目的与意义价值，国内外研究现状，发展趋势，探究的方法和内容。

第二章简述了气缸套有关的理论知识与有关内容，工作条件，工作原理与气缸套的振动机理等。

第三章介绍了本文所需运用软件的一些基本知识，包括Pro/E软件研发背景与特点，ANSYS软件的主要结构模块，功能与作用等。

第四章是文章的主要内容，首先介绍了模态分析理论，有限元模态分析理论，方法与流程等。通过有限元模态分析得到了缸套的 6 阶振动频率以及振型云图。

第五章是对第四章的试验验证部分。在理论指导的基础上分析了试验模态分析的试验方法及进行步骤。然后对船用柴油机缸套进行试验模态分析，并与理论分析结论对比。

第六章是结论与展望，总结了论文的主要工作和论文得出的结论，并分析了模态分析现今存在的不足之处。

1.4 技术方法及流程路线

1.4.1 本文主要技术方法

气缸套模态分析是全文中最主要的部分，模态分析的技术方法有很多，主要分以下三种：

1.测试模态分析是最常用的模态分析，分为以下几个主要步骤：动态数据采集和脉冲响应函数分析，数学建模，参数建立，振型图。虽然它比有限元分析方法简单易操作，但存在一个问题，即在实际结构中不能获得输入的完整信息。

2.有限元分析方法是在电脑上执行把弹性结构离散成可数数量的特定质量的弹性特征单元之后运算的理论计算方法。仅包含边界条件的机械振动模型就可以被正确地呈现出来，机械尺寸与形状细节能通过计算机调整的方式来改变。

3.操作模态分析，有限元分析和实验模态分析的局限性导致了OMA技术的发展。OMA是指仅在结构运行期间收集结构响应信号来识别结构模态参数的方法。它又分频域法、时域法和时频法等。

本文运用有限元分析法对模型进行理论模态分析，之后采用频域法对其进行试验模态分析^[3]。

1.4.2 主要流程路线

本文的主要路线是完成柴油机缸套模态分析与试验研究，首先是用Pro / E软件完成某船用柴油机缸套三维实体建模，之后用Ansys软件完成船用柴油机缸套的三维有限元建模；随后进行柴油机气缸套的有限元模态分析；最后进行了船用柴油机气缸套模态分析的验证试验。

第二章 船用柴油机气缸套有关知识

2.1气缸套的基本知识

2.1.1气缸套的定义与结构

气缸套是一个圆柱形部件，放置在气缸体内孔中，并由气缸盖紧紧固定。气缸结构形式主要有以下两种：湿缸套与干缸套。湿气缸套壁厚为5至8毫米，与冷却液直接接触，它的轴向定位是通过将缸套的上凸缘与主体顶部上的相应支撑表面匹配来实现的。其优点是机身上无密封水套，铸造容易，传热性好，温度分布均匀，易于维修，气缸套可以更换，且而无需从车辆船舶上拆下发动机。缺点是机体刚度差，容易漏水。干式缸套的外壁壁厚2至3毫米，不与冷却液接触，缸套底孔的外表面和内表面必须靠机械加工，才能得到一定位型精度。它的优势是机体刚性比较强，加工简单。常见气缸套如图2.1所示。

图2.1 气缸套的常见形式

2.1.2 气缸套的工作条件

高温高压气体直接影响气缸套的内表面，高速的滑动摩擦存在于内表面与活塞环之间。它的外表面与冷却水接触，不仅被冷却水腐蚀而且由于剧烈的温差产生非常大的热应力。气缸套受到活塞的侧向推力不仅加剧了其内表面摩擦并导致其弯曲。

气体压力导致气缸壁上的切向拉应力和径向压应力，且应力在内表面是最大的。气缸壁内外温差引起的热应力很大，拉应力在冷却表面上产生，压应力会在内表面产生。内表面上的金属会由于工作时候温度极高产生蠕变导致塑性形变，冷却之后在内表面上仍残余拉伸应力，再次工作时温度变高又产生蠕变，诸如此类的往复循环变化会引起的低频应力产生，从而导致材料疲劳受损。

2.1.3 气缸套的作用

（1）起热传导作用，加热冷却水，降低活塞温度，以使工作温度适当。

（2）与活塞等部件共同组件气缸燃烧室。

（3）某些种类气缸套配有气口，可调控活塞开关，实现配气过程

（4）因承受活塞侧推力而成为活塞往复循环运动的导程。

2.2 气缸套振动机理

在柴油发动机运行期间，气缸套必定与活塞接触，从而导致摩擦和振动。随着活塞和气缸套之间的不断摩擦，两者之间的间隙将变得越来越大。当振动水平高于正常范围时，活塞环与气缸套之间的磨损会加剧，对于湿式缸套，它也可能造成穴蚀，严重损坏并降低柴油机的整体性能。这将对安全操作产生致命的影响，同时缩短气缸套的使用寿命。

此时柴油机缸套也受到活塞的侧向推力。由于气缸套的振动，在表面的水膜会发生膨胀与压缩，当水膜中的压力降至饱和蒸汽压力以下时，冷却水和溶解在水膜中的蒸汽蒸发形成液泡。另外，由于方向和流量的突然变化，流体中的冷却水的压力可能会随之变化。当此时的压力低于此时水温下水的饱和压力时，水也蒸发产生空泡，所以必须防止气缸套发生振动。如图2.2表示了气缸套^[4]的受力情况。

图2.2 气缸套的受力情况

第三章 有限元分析软件介绍

3.1 三维建模软件概述及其特点

3.1.1 野火（Pro / E）软件简介

野火（Pro/Engineer）是本文主要使用的建模软件。Pro/Engineer早采用参数化技术的公司，它在3D建模软件领域发挥着重要作用。Pro/Engineer公司在全球机械CAD/CAE/CAM行业中创建了新标准。它最早提议运用单独的数据库来解决特征相关性的问题与提出了参数化的构想；用户可以方便灵活地根据自己实际情况进行选择性的模块安装，因而节省了计算机空间。除此之外，Pro/E还具有实现设计和生产过程的集成以及并行工程设计的优点。所以它受到了工作站与单片机领域的持续青睐。

3.1.2野火（Pro / E）软件的特点

（1）基于特征建模

Pro/E可以根据倒角，壳体，圆角，空腔等实体物体的基础特征来建模，灵便地完成绘制草图的过程而且更改也相对容易。该功能让工程技术人员感觉到前所未有的方便与简捷。

（2）参数化设计

我们可以把将要设计出来的三维实体模型视为可以分解为有限个数量的组成特征的几何模型。任意构件虽然无法隐藏部件模块下的实体特征但都可以被有限数量的参数完全约束。

（3）单一数据库（全相关）

Pro/E具有统一的数据库，这与建立在多个数据库上的一些传统CAD / CAM系统不同。它的不同点在于每一个独立用户均能为从属于不同门类的产品模型独立操作，这就是由于项目中的数据全部源于同一个库的巨大优势。也就是说，整个设计过程中的任何变化都可以反映在设计过程的各个步骤流程里。例如工程细节发生变化，NC工具路径就会自动更新；装配图的任何更改也反映在整个3D模型中。Pro/E设计出来的产品具有成品质量高，产品设计更加优化，产品价格相对便宜，销量也好的优势是和它数据结构和工程设计可以与产品的设计相结合的这种特殊组合的特点密不可分的。

3.1.3 研究 Pro/E 三维实体造型的意义

（1）相关性

Pro/E的所有模块都完全相关。这意味着产品开发过程中所做的更改可以反映到整个设计层面，并且所有工程文档都会实时更新。这使得开发周期中的任何点都可以被修改而不会有所遗漏，避免造成损失。

（2）基于特征的参数化

Pro / E使用熟悉的特征作为产品几何模型的构建块。这些功能面向一些常见的机械对象，可以通过预设来轻松修改。例如，它包括了工程师很熟悉包括圆弧，圆角和倒角在内的设计特征，因此易于使用。通过在装配、加工和制造过程中为这些功能设置参数，可以轻松地执行多次迭代以实现产品开发。

（3）数据管理

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