摘 要

气缸套的振动是影响柴油机综合性能的关键因素之一，把气缸套的振动控制在一定程度之内，将会极大地提高柴油机的综合性能。随着柴油机逐渐朝着高效率化、高压缩比等方向的发展，振动问题尤为明显，由于气缸套的振动而产生的故障和整机性能下降等问题日益严重。由此可见，研究气缸套的振动特性具有重要意义。

本文主要借助三维建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS对船用柴油机气缸套完成了实体建模、有限元建模及模态分析。在模态分析环节，提取了气缸套前六阶自由模态和约束模态的固有频率、振型和最大变形量，对所获得的数据进行了分析，指出了该气缸套的主要振动形式和最大变形量的位置，并提出了一些降低气缸套振动的优化方案，为船用柴油机气缸套的设计制造提供了一定的理论依据。

关键词：柴油机；气缸套；振动；建模仿真；模态分析

Abstract

The vibration of the cylinder liner is one of the key factors affecting the overall performance of the diesel engine. Controlling the vibration of the cylinder liner to a certain extent will greatly improve the overall performance of the diesel engine. With the development of diesel engines in the direction of high efficiency, high compression ratio, etc., the vibration problem is particularly noticeable. The problems caused by the vibration of the cylinder liner and the degradation of the overall performance are increasingly serious. Thus, it is of great significance to study the vibration characteristics of cylinder liners.

This article mainly uses the three-dimensional modeling software Pro-E and the finite element analysis software ANSYS to complete the solid modelling, the finite element modeling and the modal analysis for the marine diesel engine cylinder liner. In the modal analysis process, the natural frequency, mode shape, and maximum deformation of the first six-step free-mode and constrained modes of the cylinder liner were extracted. The obtained data were analyzed, and the main vibration modes of the cylinder liner were indicated. The location of the maximum deformation, and put forward some optimization programs to reduce the vibration of the cylinder liner, provide a certain theoretical basis for the design and manufacture of marine diesel engine cylinder liner.

Key Words：diesel engine; cylinder liner; vibration; modeling and simulation; modal analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究内容与技术方案 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术方案 3

1.4 本章小结 3

第2章 理论基础和软件介绍 4

2.1 气缸套的相关介绍 4

2.1.1 气缸套的分类 4

2.1.2 气缸套的功用 4

2.1.3 国内气缸套行业的发展过程 5

2.1.4 气缸套的工作条件 6

2.1.5 气缸套振动原理 7

2.2 软件介绍 8

2.2.1 建模软件 8

2.2.2 有限元分析软件 8

2.3 模态分析理论 9

2.4 本章小结 10

第3章 气缸套建模与模态分析 11

3.1 气缸套三维模型的建立 11

3.2 气缸套有限元模型的建立 11

3.2.1 定义气缸套材料属性 11

3.2.2 划分网格 12

3.3 气缸套模态分析 13

3.3.1 自由模态分析 13

3.3.2 气缸套模态试验 16

3.3.3 约束模态分析 19

3.4 本章小结 22

第4章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

绪论

研究目的及意义

柴油机作为一种高效率的动力机械，由于其自身独特的优点，因而在工程机械、交通运输和农业机械等很多工程领域中被作为主要的动力来源^[1]。

燃烧室部件是柴油机中主要的部件，包括活塞组件、气缸盖组件和气缸组件。当活塞处在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合和燃烧的这一空间称为燃烧室^[2]。气缸套性能的好坏直接关系着燃烧室内各个工作过程的运转情况，进而影响着柴油机机综合性能的表现。

在柴油机正常工作过程中，往往伴随着极大的振动。而气缸套作为柴油机的一部分，不可避免地会产生振动。气缸套振动的激励来源于活塞横向撞击力和高温高压气体力，并且前者是主要激励源。当振动程度高于正常范围时，不但会产生巨大的机械噪声，还会加剧气缸套内圆面与活塞环外圆面的磨损，随着时间的推移，二者间的配合间隙将变大，同时气缸套会发生失圆现象；对于湿式气缸套，还有可能引起穴蚀的严重危害，使柴油机整体性能下降，气缸套的使用寿命也在一定程度上降低。

随着工业的发展需求，对柴油机也提出了更加严苛的要求，使柴油机的发展特点趋向高增压、轻量化、低油耗和低污染等^[3]。随之而来的柴油机振动问题也逐渐进入人们的视线，柴油机振动过大的影响非常令人担忧，需要进行适当的研究分析。

国内外研究现状

国内研究现状

国内许多学者对于船用柴油机气缸套振动进行了相关研究：武汉水运工程学院的叶伟和周轶尘从激励和响应两个方面讨论了发动机气缸套的振动特性（包括固有特性、激励源特性和动态响应特性），据此，得到了在活塞缸套部件不正常工作状态下，气缸套的若干振动参数变化规律，这些变化规律可应用于故障诊断等^[4]；武汉理工大学李玉军、胡璐、何睦、国玉莹等人采用有限元软件对柴油机气缸套进行了模态分析，得到了缸套在自由状态和约束状态下的振动特性，对缸套振动的研究有很大的参考价值^[5]-[9]；天津大学的马万福利用ANSYS分析了内燃机缸套的振动，通过修改缸套模型结构来分析其固有频率的变化^[10]。赵斌利用有限元软件ANSYS对船用柴油机气缸套进行了模态分析和静力学分析，并且提取了该气缸套的前六阶模态固有频率及其振型，为现场工作提供了理论指导^[11]；宁海强从气缸套的高频振动入手，分析气缸套穴蚀的产生机理，试验证明穴蚀的根本原因是活塞敲击缸套使缸套产生高频振动，从而使缸套水腔中冷却水产生穴蚀气泡，并提出了一些降低气缸套振动、抑制气缸套穴蚀的措施^[12]； 喻实和吴昌华将12V180型柴油机的汽缸套作为研究对象，在对该气缸套的研究过程中，运用有限元分析法对其进行了较为详细的动力学分析，并且探索性地对造成气缸套振动的机械冲击载荷处理方法进行了研究，对未来气缸套的结构设计探索具有一定的参考意义^[13]。

国外研究现状

国外对船用柴油机气缸套的振动研究开始于20世纪50年代左右，当时主要采用的是实体测试的方法来研究缸套振动特性，前期发展较为缓慢，研究结果准确性不高；后来随着计算机技术和测试技术的高速发展，对于振动方面的研究也有了质的飞跃，借助计算机软件对气缸套振动进行了大量仿真分析，并取得了一定得成果，为柴油机的发展做出了杰出贡献。比利时LMS公司对柴油机气缸套振动激励力做了详细的研究，获得了相对准确的模拟仿真数据，而且，在与试验测试结果的对比过程中，误差非常小，因而具有很高的指导意义和充满前景的实用价值^[14]；Sujithkumar A.T N. Vadivel使用有限元软件ANSYS APDL对气缸套进行建模和仿真研究，分析了由于燃烧压力引起的柴油机气缸套的振动幅度，最后，试图通过改变气缸套的厚度来减小气缸套中的振动水平^[15]；Aleksander Valishin和Andrzej Adamkiewicz提出了一种基于功率法确定船用燃气发动机气缸套自由振动频率的方法，完成了对气缸套自由振动类型的分析，通过大量数学计算导出了计算气缸套自由振动的表达式，该方法有待进行实际验证^[16]；Shung H.Sung借助于计算机对系统传递路径进行了大量研究工作，获得了不同类别系统的振动响应的传递特性^[17]；PINCA-BRETOTEAN和Camelia应用有限元法求出了某型号柴油机缸套的应力场，确定了受力点的分布，最终得出了缸套的振动特性，与实际情况基本一致^[18]。

总的来说，国外对于柴油机气缸套振动方面的研究起步较早，技术水平已经趋近成熟，但是由于商业原因，很多技术、实验数据及模型等都是高度保密的，暂时还不会对外公开；国内的相关研究具有起步晚、发展快的特点，主要集中在利用有限元软件进行模拟仿真分析计算，分析不同因素对于振动的影响，从而得出降低气缸套振动的优化方案。由于受到技术水平及科研实力的限制，国内相关方面的研究较之国外还不太成熟，因气缸套振动过大而产生的危害柴油机正常运转的实例不胜枚举。因此，进行船用柴油机气缸套振动分析是非常有必要的。

研究内容与技术方案

研究内容

气缸套是内燃机中极为重要的一个部件。对柴油机而言，虽然它在质量、体积等方面所占的比重很小，但是在保证柴油机正常运转中，它却发挥着至关重要的作用。气缸套工作环境恶劣，常常处在巨大的交变载荷之中，易产生不良的振动，因此有必要对其振动情况进行讨论研究。

本文将利用三维建模软件Pro/E、有限元分析软件ANSYS等对船用柴油机气缸套进行模拟仿真分析计算，并对一些主要技术参数进行提取且加以分析，如各阶振动固有频率、振型和最大变形量等参数，为今后气缸套的设计和优化提供理论依据。

技术方案

（1）确定所研究船用柴油机气缸套的具体型号、相关参数及材料性质等；

（2）利用建模软件完成气缸套三维实体模型的建立；

（3）将气缸套三维实体模型导入有限元分析软件中，对实体模型进行材料的选定，对模型进行网格划分，完成有限元模型的建立；

（4）对缸套进行模态试验和模态仿真分析，对比二者的实验数据，验证有限元模型建立的准确性；

（5）利用有限元分析软件对气缸套模型进行自由状态和约束状态下的模态分析，获得多阶模态振型、固有频率、最大变形量等参数。根据仿真计算结果分析气缸套振动特性并试图提出降低气缸套振动的优化方案。

本章小结

本章对船用柴油机气缸套振动特性研究的目的及意义进行了简要地阐述，讨论总结了该领域中国内外的研究现状，并交代了本文的主要内容和拟采用的技术方案，为论文的展开奠定了基础。

理论基础和软件介绍

2.1 气缸套的相关介绍

2.1.1 气缸套的分类

船用柴油机气缸套主要有湿式、干式两种，其结构如图2-1所示。气缸套一般采用灰口铸铁、球墨铸铁或者耐磨合金铸铁等一些高性能优质材料，经过多道工艺处理制造而成。其中，湿式气缸套的外表面直接与冷却介质接触，它一般拥有良好的散热效果，并且结构简单，容易维修和更换。但是，考虑到它与冷却介质直接接触，在设计和装配环节必须要做好密封措施，防止冷却介质发生渗漏现象；而干式气缸套外表面却不接触冷却水，柴油机气缸体本身形成了一个密封冷却空间，气缸套内部的热量只有通过气缸体向冷却水传递热量，散热能力较差，温度在其壁面的分布一般不均匀，在某些恶劣条件下，在一定区域内往往容易产生较大的变形，它的散热效率和湿式气缸套是无法相提并论的。目前，干式气缸套已基本被淘汰，船用柴油机广泛采用湿式气缸套结构。本文研究对象选用湿式气缸套。

图2-1 气缸套结构图

2.1.2 气缸套的功用

（1）提供工作场所。作为内燃机燃料与空气混合、燃烧的主要工作空间。

（2）导向作用。为活塞的往复运动提供空间，形成特定的导程，并且在柴油机工作过程中，承受一部分活塞侧推力。

（3）散热作用。柴油机工作时气缸内会聚集很多热量，导致气缸套温度升高，气缸套把热量传递给冷却介质，使其保持正常的工作温度。

（4）配气作用。对于二冲程柴油机而言，一般在气缸套的下部会沿外圆面设置一些气口，活塞的往复运动控制着这些气口的开闭，从而使新鲜的高压空气进入气缸，为下一工作循环的燃烧做准备。

2.1.3 国内气缸套行业的发展过程

气缸套的工作环境极其恶劣，它是经常损坏的部件。柴油机能否表现出良好的工作性能，很大程度取决于气缸套的性能优劣。此外，性能优良的气缸套与普通气缸套相比，损坏的频率较小，需要维修的次数也就相对减少许多，也为柴油机的维护保养节省了一大笔开支，具有良好的经济性。并且，柴油机在不断追求高功率、高增压比、低质量、小体积化的过程中，对气缸套的综合性能也提出了更高的要求。

据了解，气缸套制造技术在上世纪四十年代才被我国逐渐掌握，距离现在已有将近80年的发展历史。我国气缸套制造技术近80年的发展历程中经历了从无到有、从简到精的演变。四十年代初期，国内仅有小部分工厂尝试制造气缸套，由于严重缺乏人力物力财力，年产量很小。整个制造过程以仿制为主，产品的结构相对简单，便于制造。新中国成立后，国内工业水平快速发展，内燃机行业也完成了质的飞跃，逐渐开始自行设计研制气缸套，也有能力对气缸套进行一些实验分析，不断提高研制水平。气缸套的生产规模慢慢向大批量生产的方向发展。从五十年代末开始的十余年间，国内新建了一批气缸套制造企业，以期快速发展国内机械制造业，这些企业有相当一部分至今仍在运营。改革开放后，我国机械制造业大力发展，国内又涌现出一大批气缸套制造企业，这些企业大多数都引进了当时世界上先进的设备、理论技术和众多科技人才，使得之后的十多年中，我国生产的气缸套综合性能较之从前又向前迈出了一大步。在之后十多年发展中，整个行业内部生产气缸套的企业约五六十家，他们早已不单单是专门生产内燃机部件的企业，而是通过转型，已经发展称为一支跨部门，拥有相当规模和较高技术水平的专业化企业队伍，分属于铁道部、交通部、农牧渔业部、中国船舶工业公司等部门，成为我国内燃机行业的一支骨干力量。

上世纪八十年代以来，我国制造业在整体水平得到了很大的提高，但是和国外相比却还是比较落后，为了进一步快速发展我国气缸套行业的整体水平，满足国内内燃机行业日益发展的需要，通过到国外多个先进工业国家实地走访考察，综合比较分析，我国先后引进了一大批关于气缸套行业的制造设备和技术，经过一批又一批业内骨干的学习研究，行业内部取长补短，形成了一套先进的气缸套制造技术。引用技术设备如表2-1所示。

表2-1 引用技术设备表

2.1.4 气缸套的工作条件

由于内燃机的工作性质比较特殊，工质是在气缸内部完成剧烈燃烧并释放出相当大的能量，以驱使整机的运转。而柴油机较之其他类型的内燃机，又具有较大的压缩比和输出功率。这些都使柴油机气缸套的工作环境变得更加恶劣。高温高压气体力作用于其内表面上，随着柴油机的不断运转，活塞在其内部以极高的速度往复上下运动。对于四冲程柴油机而言，由于曲柄连杆机构的运动特性，造成活塞往复运动过程中是必然存在一定的侧推力，加之活塞受热膨胀，体积会有所变大，与气缸套间的配合间隙势必会变小，这些因素最终会导致气缸套与活塞间的撞击和高速摩擦运动始终伴随着柴油机的运转；这种侧推力的大小和方向都呈现出一定的周期性，不仅加剧二者间的滑动摩擦，使接触面受到磨损。而且方向的不断变化，导致活塞撞击气缸套，后者因此会产生强烈的机械振动。

在正常工作过程中，气缸套的外部充满了冷却介质，其内部的大部分热量便是通过传递给后者来实现自身温度的恒定，这时内外壁就会存在较大的温差，对于金属材料而言，材料内部会存在极大的热应力。由于柴油机的工况会因实际情况不断变化，其内部的热负荷也有所不同，伴随着不断改变的热应力，气缸套材料的性能将会下降，甚至产生严重的疲劳现象。

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