水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸模態(tài)分析

魏武國(guó) 馮浩陽(yáng)

摘? ?要：本文選取某水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸為分析對(duì)象，基于ANSYS Workbench軟件平臺(tái)對(duì)曲軸進(jìn)行三維實(shí)體建模和有限元建模，選取子空間法（Subspace法）計(jì)算了該曲軸前10階固有頻率和振型，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了該曲軸固有模態(tài)的規(guī)律。為該曲軸的后續(xù)結(jié)構(gòu)分析和排故提供依據(jù)的同時(shí)，也為其他多曲柄曲軸的固有模態(tài)分析提供了便于工程應(yīng)用的方法。

關(guān)鍵詞：航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)? 曲軸? 固有模態(tài)? 有限元分析? 子空間法

中圖分類號(hào)：V231.92;V234? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0009-03

曲軸是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的運(yùn)動(dòng)機(jī)件。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃?xì)鈮毫νㄟ^(guò)活塞、連桿傳遞給曲軸，帶動(dòng)螺旋槳和其他附件工作[1]。曲軸受力復(fù)雜，既要承受周期性的燃?xì)鈧鬟f過(guò)來(lái)的壓力（曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，各缸燃?xì)獗l(fā)1次），還要承受自身質(zhì)量帶來(lái)的慣性離心載荷，以及帶動(dòng)螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)附件的扭矩，且這些載荷會(huì)隨著飛行階段的不同而變化，再考慮到振動(dòng)載荷，容易造成曲軸的結(jié)構(gòu)故障[2]。曲軸的剛度和強(qiáng)度直接影響到活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)轉(zhuǎn)特性，某飛行訓(xùn)練單位的初教機(jī)所配裝的水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，就曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)曲軸配重塊因?yàn)檩S系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而導(dǎo)致斷裂掉塊的嚴(yán)重故障，造成發(fā)動(dòng)機(jī)空停。

本文選取某水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸為分析對(duì)象，基于ANSYS Workbench軟件平臺(tái)進(jìn)行固有模態(tài)分析，以期發(fā)現(xiàn)該曲軸固有振動(dòng)的規(guī)律，為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析和排故提供依據(jù)。

1? 分析對(duì)象和有限元建模

選取某水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸為分析對(duì)象[3]，該航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)內(nèi)主流的飛行員訓(xùn)練機(jī)型配發(fā)，基于有限元軟件平臺(tái)ANSYS建立起三維有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析。

提取曲軸結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在ANSYS Workbench的DM模塊中建立曲軸的三維實(shí)體模型。結(jié)構(gòu)總體特征可見(jiàn)圖1所示，曲軸從前往后：螺旋槳安裝法蘭盤(pán)，第一個(gè)主軸頸，1號(hào)和2號(hào)汽缸的曲柄，第二個(gè)主軸頸，3號(hào)和4號(hào)汽缸的曲柄，第三個(gè)主軸頸（軸尾）。為方便網(wǎng)格劃分，在幾何建模過(guò)程中，省略了對(duì)模態(tài)分析影響不大的軸頸與曲臂、軸頸與螺旋槳安裝法蘭盤(pán)之間的倒角、倒邊等細(xì)小結(jié)構(gòu)。

取曲軸材料為40Cr[4]，其材料常數(shù)見(jiàn)表1所示。

網(wǎng)格劃分時(shí)，曲臂部分采用Tet 10單元，曲臂和主軸頸、曲頸的連接部位采用Pyr 13單元，主軸頸和曲頸采用Hex 20單元，主軸頸和曲頸的邊緣部分采用Wed 15單元，最后，該曲軸共劃得436 272個(gè)單元，899 774個(gè)節(jié)點(diǎn)。

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中：一方面，曲軸主軸頸和滑動(dòng)軸承之間依靠壓力油膜進(jìn)行潤(rùn)滑，本文分析對(duì)象受三個(gè)滑動(dòng)軸承支撐，因此在其有限元模型中，將曲軸上對(duì)應(yīng)這三個(gè)滑動(dòng)軸承的主軸頸表面施加徑向?qū)ΨQ約束，即無(wú)摩擦約束（frictionless support）[5];另一方面，使用止推軸承防止曲軸的軸向串動(dòng)，而曲軸在受熱膨脹時(shí)又有一定的軸向伸長(zhǎng)量，所以有限元模型中，只在軸尾后表面施加軸向位移約束。

由此，建立起的曲軸結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖1所示。

2? 計(jì)算結(jié)果分析

在模態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置時(shí)，選擇子空間法（Subspace法），基于ANSYS軟件平臺(tái)計(jì)算了該曲軸前10階的固有模態(tài)，固有頻率和振型的計(jì)算結(jié)果列于表2中。

理論上曲軸有無(wú)窮階模態(tài)，但實(shí)際上各階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)影響不同。一般情況，如果發(fā)生低階模態(tài)振動(dòng)，頻率低、振幅大，對(duì)結(jié)構(gòu)影響大，且低階頻率的振動(dòng)更容易發(fā)生。階次越高，頻率越高，對(duì)結(jié)構(gòu)影響越小，越不容易發(fā)生。因此，對(duì)曲軸進(jìn)行10階模態(tài)分析已經(jīng)足夠。

曲軸振型計(jì)算結(jié)果中，3階、5階、8階、9階為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，4階、6階、7階為橫向彎曲振動(dòng)。其中，扭轉(zhuǎn)振型以三個(gè)主軸頸為界，螺旋槳安裝法蘭盤(pán)、1-2號(hào)汽缸曲柄、3-4號(hào)汽缸曲柄繞軸線扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在扭振方向上呈現(xiàn)組合現(xiàn)象。如圖2所示的曲軸3階振型，螺旋槳安裝法蘭盤(pán)與1-2號(hào)汽缸曲柄扭振方向相同，與3-4號(hào)汽缸曲柄扭振方向相反。彎曲振型，在前10階模態(tài)中主要出現(xiàn)的是曲柄的橫向彎曲振動(dòng)，如圖3所示的6階振型，就是1-2號(hào)汽缸曲柄的橫向彎曲振動(dòng)。隨著固有頻率的增加，螺旋槳安裝法蘭盤(pán)、1-2號(hào)汽缸曲柄、3-4號(hào)汽缸曲柄也會(huì)出現(xiàn)組合橫向彎曲振動(dòng)的情況，方向相同或相反。

除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向彎曲振動(dòng)外，還出現(xiàn)了曲軸作為剛體繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)（1階振型），曲軸前端軸向拉-壓振動(dòng)（2階振型），以及螺旋槳安裝法蘭盤(pán)的1節(jié)徑扇形振動(dòng)（10階振型，如圖4所示）。1階振型是因?yàn)榍S有限元模型沒(méi)有約束旋轉(zhuǎn)方向的自由度;2階振型是因?yàn)榍S有限元模型只約束了軸尾后表面的軸向自由度，而沒(méi)有其他軸向約束的緣故;10階振型跟該曲軸的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，進(jìn)一步可考察曲軸和螺旋槳的耦合振動(dòng)特性。

3? 結(jié)語(yǔ)

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)件動(dòng)力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)，本文利用ANSYS Workbench對(duì)某水平對(duì)置四缸航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸進(jìn)行了模態(tài)分析：

（1）相對(duì)于ANSYS經(jīng)典界面，Workbench提供了更加友好的建模環(huán)境，方便曲軸這類幾何不規(guī)整零部件的三維幾何建模和有限元建模，模態(tài)分析流程也更加直觀方便。

（2）通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，曲軸主要以主軸頸為分界，其前后的曲柄、螺旋槳安裝法蘭盤(pán)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向彎曲振動(dòng)，或這些振動(dòng)的組合。

（3）該航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，曾出現(xiàn)曲軸配重塊因?yàn)檩S系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而導(dǎo)致斷裂掉塊的嚴(yán)重故障，因此在操作使用中應(yīng)避免引起曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的激振源出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李衛(wèi)東， 侯甲棟. 航空活塞動(dòng)力裝置[M].成都：西南交通大學(xué)出版社， 2016.

[2] 付堯明. 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)ME-PA，PH[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社， 2016.

[3] Textron Company. Lycoming Operators Manual， O-360 and associated models， 8th Edition. 2005.

[4] 呂端， 曾東建，于曉洋，等. 基于ANSYS Workbench的V8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2012（8）： 11-13.

[5] Mourelatos ZP. An analytical investigation of the crankshaft flywheel bending vibrations for a V6 engine[J]. SAE Paper， 1995， 33（5）： 65-67.