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复合材料油底壳与常规金属油底壳实验模态对比分析 |
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作者：路志尧 姜建中 |
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摘要：结合现代测试手段和模态分析技术，以BJ493ZLQV1 型发动机为例，对自行研制的复合材料油底壳和传统金属材料的油底壳进行了模态实验对比分析，研究结果为振动，噪声和疲劳等问题的进一步研究奠定基础，为复合材料油底壳的工业化生产提供试验基础。
为适应汽车零部件向着轻量化、低成本、长寿命方向发展的需要，复合材料在汽车上的应用越来越广泛。重型、轻型、微型客货车无一例外的使用着复合材料，最常见的是汽车的内部装饰件，但是复合材料在其它部件的开发中也逐渐被重视起来。
随着我国汽车工业的不断迅猛发展，对汽车的 NVH 性能有了更高的要求。发动机油底壳是发动机的一个主要声源，目前国内生产的发动机油底壳多为金属材料，根据制造工艺和材料有钢板冲压件油底壳，带夹层的冲压件油底壳，铸钢油底壳，铸铝油底壳。用复合材料代替金属制造的油底壳有减重、减振降噪、节约能源、保护环境等一系列优点。汽车复合材料油底壳已经在国外得到了广泛的应用，而国内复合材料油底壳的研究还处于起步阶段，迄今为止尚未得到有关汽车复合材料油底壳生产工艺和工业化应用方面的相关报道。
汽车油底壳的结构较为简单，其上部是与发动机机体相连接的端面，有若干螺栓安装孔，底部有一个放油螺栓安装孔，整体成阶梯型，其内部有机油隔板。BJ493ZLQV1 型发动机油底壳见图1。对比试验中复合材料油底壳采用SA1800 材料，SMC 制造工艺；金属材料油底壳采用带夹层的金属冲压件油底壳。
图 1 BJ493ZLQV1 型发动机油底壳
1、模态分析理论
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以通过实验或计算取得。如果通过实验将采集的系统输入与输出信号竞购参数识别获得模态参数，成为实验模态分析；如果模态参数是由有限元计算方法取得的，称计算模态分析。
模态分析实质是一种坐标变换的过程。它建立了从物理模型到实验模型之间的桥梁，建立了频率响应与系统动态特性之间的关系。模态分析必须遵循以下几个基本假设：①线性假设；②时不变假设；③可观测性假设；④互易性假设。
在上述假设条件下，弹性结构动力学的振动方程为：
式中：M、K、C 分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；F(t)是随时间变化的载荷向量;  分别是节点各自由度方向上的加速度、速度和位移向量。
当不受外载荷且忽略阻尼时，结构的无阻尼自由振动方程为： ，其解是一组简谐振动的叠加。设方程的解为：δ = X cosωt，则可得齐次方程组：(K − ω2M)X = 0。因自由振动时各自由度的振幅X 不可能全部为0，因此要有非零解，系数矩阵行列式是值必须为0，即： |K −λM| = 0 ,其中λ =ω2。在n 自由度系统中，矩阵K和矩阵M 均为n阶方阵， K −λM = 0则为λ 的n 阶高次方程，求λ 值的问题也就是求广义特征值和特征向量后，就可以求得结构的各阶固有频率和振型。
2、油底壳的实验模态分析
近十多年来，由于计算机技术、快速傅立叶变换（FFT）分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，实验模态分析得到了很快的发展。实验模态分析大致可分为3 个基本过程：①动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析；②建立结构数学模型；③模态参数识别。模态测试系统由激振系统、信号拾取系统、数据采集和数据处理系统三部分组成。激振系统为力锤，力传感器（测量激振信号）安装在力锤上；将加速度传感器（测量测点响应信号）用蜂蜡粘于油底壳的外表面。
在实验中要注意合理地选择激振点和拾振点的位置，对于获得正确可靠的模态分析结果十分重要。选择激振点位置时，应尽可能避开各阶模态的节点和节线位置，以便能够激励出尽可能多的模态。同时应使测点响应信号的幅值足够大，使各测量信号有良好的信噪比。根据发动机油底壳的形状结构特点以及传感器的安装等因素，在油底壳的外表面上均匀对称的布置了多个激励点。油底壳实验几何模型见图2。
图2 油底壳实验几何模型
由于油底壳的体积相对较小且材质较软，采用多点激励单点拾振的方法进行实验模态分析。实验过程中，油底壳处于自由状态，实验用的仪器见表1，测力锤激励油底壳，力传感器拾取激励信号并转换成为电荷信号，加速度传感器拾取油底壳的响应信号并转换成为电荷信号，并口数据采集仪将采集的电压信号输入到计算机中，最后使用LMS TEST LAB 中Structures Analysis 对采集到的信号进行处理、分析。复合材料油底壳在0~640Hz 范围内识别出9 阶模态参数（固有频率、阻尼比）；金属材料油底壳在0~640Hz 范围内识别出8 阶模态参数，见表2。
3、结论
通过实验模态分析得到了带夹层金属油底壳和采用SA1800 材料的复合材料油底壳的固有频率、阻尼比和振型等模态参数。从带夹层金属油底壳和复合材料油底壳模态对比分析中可以看出，复合材料油底壳的第一阶模态频率略高于带夹层的金属材料油底壳，且阻尼比也大于带夹层的金属材料油底壳，但后面几阶模态参数没有明显优势，特别是阻尼比都小于带夹层的金属材料油底壳。阻尼系数是衡量材料减振降噪能力的重要指标，因此这次测试的复合材料油底壳在减振降噪方面并不占优势。虽然带夹层的金属油底壳有了较好的阻尼特性，但是因为其采用有利于增加阻尼的特殊的工艺而增加了成本。复合材料油底壳在简单的工艺中就达到了相对较好的阻尼效果，在原料成分和制造工艺技术上对增加阻尼方面还会有很大的发展空间，相信随着不断的探索，复合材料油底壳会广泛的应用于国内的发动机上。
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(1/31/2013) |
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