某空气压缩机模型模拟方式对模态计算结果的影响

张醒国，潘殿龙

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春 130021)

某空气压缩机模型模拟方式对模态计算结果的影响

张醒国，潘殿龙

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春 130021)

采用不同的模拟方法模拟某型空气压缩机，通过ABAQUS软件计算得到系统的1阶约束模态，与选定的标准模拟方法进行对比，考察有限元模型模拟方式与转动惯量的施加对计算结果的影响，得到各个方法的准确率，并且给出了各个方法的评价以及使用情况。

模拟方法；ABAQUS 软件；模态

0 引言

避免零部件或总成在汽车行进过程中产生共振现象，是使结构件增加使用寿命、抵抗共振疲劳破坏的有效手段。而随着计算机技术的发展，汽车企业开始广泛使用有限元技术在设计之初对结构件进行模态计算分析，得到结构件的自由模态或约束模态，使其振动频率避开激励源激励频率[1]。这其中有限元的建模方式(简化方式)与相应边界条件的施加会对模拟结果的精度产生显著影响。基于ABAQUS软件，讨论质量点施加方式与转动惯量的施加对计算结果的影响。模拟对象为某款空气压缩机支架，计算其约束模态，考虑其他构件刚度会对计算结果有所影响，截取部分缸体与空气压缩机组成研究对象整体。

1 模态分析简介与转动惯量简介

ABAQUS模态分析用于确定结构系统的振动特性，通过提取结构的频率与模态振型来实现振动问题解决以及为结构动力特性的优化设计提供参考依据。ABAQUS模态分析提供3种特征值提取方法，文中计算均采用Lanczos法。采用稀疏矩阵方程求解器求解动力学方程，是将n×n阶实矩阵经相似变换约化为三对角矩阵以求解特征值问题的一种方法，由于该算法在精度与求解速度方面都有比较好的优势，常用于中、大模型的求解，适用于实体单元与壳单元。文中忽略阻尼与外载荷的影响，模态计算动力学方程可以简化为如下形式[2]：

式中：ωi为振动频率;φi为模态;K为刚度矩阵;M为质量矩阵。

转动惯量是物体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置[3]。转动惯量的量纲为[L]2[M]，在SI单位制中，它的单位是kg·m2。

2 有限元模型建立

为了考虑模型质量施加和转动惯量对模态计算结果的影响，建立如表1所示的7种模型，模型中的缸体与空气压缩机采用四面体一阶单元模拟，支架采用四面体二阶单元模拟，螺栓采用六面体一阶单元模拟。建立模型方法如表1所示。

其中，在截取的缸体截面处施加相应约束，模型模拟方法中如建立螺栓，则按照相应的标准施加螺栓预紧力。其中要保证方法2～6中质量点位置与方法1中质心位置相同。方法2、3质量点连接于立方体，立方体与压缩机模型为共节点，主要考虑避开刚性单元对压缩机刚度产生影响。模型如图1—3所示。

表1 模型相关信息

图1 模型1～3建立示意图 图2 模型4～6建立示意图 图3 模型7模拟方式

其中，方法1作为传统方法，经过试验验证，作为参考标准使用；方法2、3对比与方法4、5对比是为了验证转动惯量施加必要与否；方法4、6对比验证刚性单元连接多少对模态准确性的影响；方法2、3与方法4、5、6对比验证质量点连接方式对模态准确性的影响；方法7是最为简略的建模方法，如果精度可以保证，将会大大提高建模速度，节省时间。

3 计算结果分析

将编制的包含模型信息、边界条件、载荷步信息的INP文件提交ABAQUS软件进行模态分析，注意要考虑螺栓预紧力在模态分析中的作用，所以要激活非线性选项，否则计算将不会考虑载荷带来的影响。得到的计算结果如表2和图4—10所示。

表2 频率计算结果

图4 模型1的一阶振型图

图5 模型2的一阶振型图

图6 模型3的一阶振型图

图7 模型4的一阶振型图

图8 模型5的一阶振型图

图9 模型6的一阶振型图

图10 模型7的一阶振型图

从计算结果可以知道:

(1)方法2、3计算结果与方法4、5计算结果对比证明：在计算模态时，如用质量点模拟构件质量，需要在质量点上施加转动惯量，否则计算结果会相差很大，甚至振型都会不一致；

(2)方法4、6计算结果对比证明：质量点与构件间刚性单元连接多少会影响计算结果的刚度，要尽可能多地添加刚性单元，以便于计算时将质量与转动惯量更平均、更接近实际地分配给整个压缩机模型；

(3)方法2、3与方法4、5、6对比证明：质量点连接方式对计算结果影响巨大，在模拟时，要尽可能将质量点刚性连接至结构件表面；

(4)方法7计算结果与方法1计算结果相对误差只有1.78%，所以在精度要求允许的情况下，采用此种方法模拟可大大减少工作量与计算时间。

4 结束语

通过对某空气压缩机支架的约束模态计算可知：计算结构件约束模态时如采用质量点模拟构件承受的重力载荷，要尽可能多地使用刚性单元将质量点均匀连接于构件表面，刚性单元并不会过多地影响系统的振动特性；同时，在质量点施加相应的转动惯量是必要的；在精度允许的情况下，不对类似于压缩机的结构进行建模，直接采用质量点加转动惯量模拟，并连接

至约束位置也是可行的。

【1】江丙云，孔祥宏，罗元元.ABAQUS工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.

【2】石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

【3】李复．力学教程(上)[M].北京：清华大学出版社，2011.

The Influence of the Modal Results by Different Simulation Methods for an Air Compressor

ZHANG Xingguo,PAN Dianlong

(Research & Development Center,China FAW Group Corporation,Changchun Jilin 130021,China)

Several models were created to simulate an air compressor by different methods, and the first modal of the constrained system was analyzed by ABAQUS software. The results were compared with the selected standard simulation method to inspect the influences of different simulation methods and the moment of inertia on the calculation results. Finally, the accuracy of each method was gotten as well as the evaluation and usage for every method.

Simulation method; ABAQUS software; Modal

2016-09-22

张醒国(1987—)，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为汽车有限元分析，E-mail：375860071@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.004

U461.1

A

1674-1986(2017)01-018-04