摘要：运用CAE定量分析方法和试验模态分析技术对某发动机进排气凸轮轴模态进行了分析研究。结果表明，进排气凸轮轴计算模态和试验模态的数据吻合性较好，误差在工程允许范围内。从而进一步说明了进排气凸轮轴模态仿真结果的准确性和试验方法的有效性。
关键词：进排气凸轮轴；CAE仿真分析；试验模态分析；固有频率；模态振型
Abstract: this paper analyzed the use of CAE quantitative analysis method and experimental modal analysis techniques to an engine intake and exhaust camshaft modal. The results showed that the intake and exhaust camshafts to calculate the modal and experimental modal fits the data better, the error in the project within the allowable range. Which further illustrates the accuracy of the intake and exhaust camshaft modal simulation results and test the effectiveness of the method?Key words: intake and exhaust camshafts; CAE simulation analysis; experimental modal analysis; natural frequency; modal shape
中图分类号：U464.134+.4 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-
1 前言
将试验模态分析技术和计算模态分析方法相结合，是解决现代复杂结构动态特性设计的重要手段。应用模态分析方法可以把复杂的实际结构简化成模态模型，计算系统的响应，简化系统的数学运算。模态分析的实质是一种坐标变换，目的在于把物理坐标系统中描述的响应向量变换到模态坐标系统中描述，从而得到系统的模态振型。试验模态分析技术就是运用试验的方法寻求系统的模态振型和描述响应向量的各个模态坐标[1]。文中运用有限元分析软件对某进排气凸轮轴进行了计算模态分析；同时基于测试软件，对其进行了试验模态分析。对比试验模态和计算模态结果表明，进排气凸轮轴各阶模态固有频率和模态振型吻合性较好，误差在工程允许范围在。可以认为建立的3D模型和网格模型能够反映零件的实际情况，CAE的计算结果可以作为后续计算或分析的数据参考。
2 进排气凸轮轴有限元分析计算
2.1 进排气凸轮轴有限元模型的建立
运用有限元分析软件分别建立进排气凸轮轴的网格模型。如图1和图2所示。
图1 进气凸轮轴网格模型
图2 排气凸轮轴网格模型
2.2 进排气凸轮轴模态计算
对进排气凸轮轴进行自由模态计算。模态计算后的进排气凸轮轴各阶模态固有频率和模态振型分别见表1和表2所示。
表1 排气凸轮轴计算模态结果
表2 进气凸轮轴模态计算结果
3 进排气凸轮轴试验模态分析
3.1 测试设备、原理和方法
针对发动机进排气凸轮轴进行模态试验，求出模态参数。试验原理框图见图3。测试主要设备有力锤、加速度传感器、数采设备等。
图3 试验原理框图
在锤击激励试验模态分析中采用了力锤多点激励、传感器单点拾振法[2]。试验中设置数据采样频率为6400Hz，分析频率为3200Hz。为了减少对时域信号的截断所造成的能量泄露，选用汉宁窗抑制泄露[3]。
3.2 进排气凸轮轴模态试验结果
通过采集加速度传感器信号，进行信号处理后获取振动信息，分析出其各阶固有频率和模态振型。表3和表4分别给出了进排气凸轮轴试验模态的各阶固有频率和模态振型图。
表3 进气凸轮轴模态试验结果
表4 排气凸轮轴模态试验结果
3.3 凸轮轴模态仿真值和试验值对比
表5-6给出了进气凸轮轴和排气凸轮轴的仿真值和试验值的对比情况。从中可以看出仿真值和试验值的相对误差控制在5%以内，满足工程要求。
表5 进气凸轮轴仿真值和试验值对比
4 结论
针对某发动机的进排气凸轮轴，分别采用试验模态分析技术和CAE仿真分析方法对其模态进行了分析研究。其中试验模态运用了单点拾振法。研究结果表明，进排气凸轮轴计算模态和试验模态的数据吻合性较好，误差控制在工程允许的5%范围内。同时验证了试验模态方法的有效性和CAE仿真结果的准确性，可以认为建立的3D模型和网格模型能够反映零件的实际情况，CAE的计算结果可以作为后续计算或分析的数据参考。
参考文献
【1】李德堡，陆秋海.实验模态分析及其应用【M】.北京：科学出版社，2001.9.
【2】李惠彬.振动理论与工程应用【M】.北京：北京理工大学出版社，2006.9，207-208.
【3】杨义，李志远，马庆丰.某型工业叉车护顶架的振动诊断【J】.振动、测试与诊断，2009，（2）：227-229
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。