空压机是一种用于压缩空气的机械,被广泛地应用于船舶、工矿等行业。是船舶辅机系统的重要组成部分，主要用于主机起动、换向、和发电柴油机的起动，同时也为其它机械设备和气动工具供气。它往往连续满负载运转，零部件出故障概率较高，一旦出现故障就严重影响整船的正常运转。对其转子铸造和机械加工的要求不断加强，而传统的加工工艺必然会造成一定的缺陷 (如空泡、材料不均等 )，并且其曲轴、连杆及活塞的工作条件越来越苛刻，在周期性变化的气压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭矩共同作用下，会使曲轴、连杆及活塞过早地出现弯曲破坏和扭转疲劳破坏，从而可导致事故的发生。所以必须对曲轴、连杆及活塞进行模态分析，为以后的结构动态特性分析及其优化设计提供依据^[1]。

同时，作为环境污染四大公害之一的噪声污染也日益受到人们的重视。噪声对人体的危害是全身性的既可以引起听觉系统的变化，也可以对非听觉系统产生影响。主要表现为:形成听力减退；刺激影响人的神经系统；干扰人们的学习、工作、休息和睡眠，使人们工作效率下降，注意力不集中，反应迟钝；这些影响的早期主要是生理性改变，长期接触比较强烈的噪声，可以引起病理性改变。此外作业场所中的噪声还可以干扰语言交流，影响工作效率，甚至引起意外事故。所以，噪声控制也是保护人们生活条件和工作条件的一项重要工作^[2]。目前，空压机在制造高压气过程中，设备不可避免的会发生振动及噪声空压机向着大功率、轻重量的方向发展，使得其刚度不断减小，从而加剧了部件的振动和结构噪声，直接影响空压机的寿命。在空压机曲轴、连杆及活塞的设计研发过程中，对空压机曲轴、连杆及活塞结构进行模态分析，可以为空压机减振和降噪提供理论依据，验证该结构的可行性和可靠性，缩短产品研发周期，因此对空压机曲轴、连杆及活塞进行模态分析在现代船舶结构设计中具有十分重要的意义^[3]-[4]。

国外学者Y.Kang,G.-J.Sheen,M.-H.Tseng,S.-H.Tu.在1998年就利用梁单元和实体单元这两个模型，用有限元法确定了两个曲轴的固有频率和振型，并与模态试验数据进行了比较。结果表明，在曲轴模态分析中，实体单元比梁单元更适用^[5]。B.Y.YuQ.K.Feng和X.L.Yu为了简化往复压缩机曲轴系统在工作状态下的三维振动分析，提出了一种基于三节点Timoshenko梁的空间有限元模型。曲轴由一组简单的圆杆和简支梁组成的连接结构理想化，主轴颈轴承由一组线性弹簧和缓冲罐理想化，飞轮和电机由一组质量和惯性矩理想化。在实际应用中，利用该方法建立了6M51往复压缩机曲轴系统的有限元模型。然后利用ANSYS软件包对结构进行模态和强迫振动计算。[6]M.A. Rezvani，D. Javanmardi及P. Mostaghim三人采用经典方法计算了发动机的最大载荷，并在ADAMS发动机软件中进行了仿真验证。动力学模型包括刚性和柔性梁模型，并考虑了扭转振动模态。结果表明，连杆失效是由于存在液锁现象时的屈曲引起的[7]。LucjanWitekFeliksStachowiczArkadiuszZa#322;#281;ski对曲轴进行了数值模态分析在此分析中，得到了自由振动的频率和振型。模态分析结果表明，在二阶自由振动模式下，高应力区位于裂纹源区。根据研究结果，得出了早期失效的主要原因是曲轴的共振振动^[13]。M. Fonte, P. Duarte, L. Reis, M. Freitas, V. Infante,为了找到高应力集中的临界区，还进行了有限元分析。结果表明，曲柄销在低应力和高疲劳下有明显的疲劳失效^[14]。

在1996年国内学者周思柱以某厂试制的LGC-20/250空压机车为研究对象，对车装高压空压机连杆进行了有限元分析，指出疲劳寿命足够，但按等强度观点，该连杆还可进一步完善提高^[8]。高波，彭永旗为了研究有限元模态分析法及分析曲轴的振动特性对发动机产生的不良影响，利用 CATIA 建立曲轴的实体模型，并用Hypermesh建立曲轴的有限元模型，并基于有限元理论，对曲轴进行自由模态分析，通过分析，为曲轴的动态特性研究、振动控制及优化设计提供参考依据^[9]。林腾蛟等构造船用空气压缩机系统各零、部件及整机的实体模型, 建立系统的冲击动力分析有限元模型。应用 I-DEAS软件计算了空压机系统的固有特性、约束模态和冲击动态响应, 给出各自由度方向加速度冲击载荷作用时系统的振动响应及动态应力, 为确定船用空压机的抗冲击能力及减振装置的合理设计提供了理论依据^[10]。王祥,蒋国璋,阮景奎,结合虚拟样机技术和有限元分析技术，利用 Pro /E、ADAMS 以及 NX 软件，建立空压机曲轴连杆机构实体模型，对曲轴连杆机构进行动力学仿真，并对曲轴进行有限元分析。从分析结果可以知道，曲轴连杆轴颈与连杆臂过渡圆角处极易发生应力集中现象，而空压机曲轴在循环工况下所受的交变应力也会加剧影响曲轴的疲劳寿命。这对曲轴寿命研究与分析具有重要意义，也为曲轴圆角滚压强化工艺提供了支持^[11]。活塞是空气压缩机的核心部件，吴军，张元翔，郑小军充分利用了UG参数化设计模块及有限元分析模块，对活塞的应力及位移进行了动态仿真基于有限元法的参数化设计为今后活塞改进提供了重要依据^[12]。

模态分析技术是现代机械产品结构动态分析和设计的基础，本文对某柴油机缸盖结构进行了有限元模态分析和模态测试，得到了缸盖结构的自由振动模态的特点。通过对比模态分析与模态测试结果，验证了模态分析模型与结果的合理性，为结构设计的改进与优化提供了依据^[15]-[16]。

王科富等用有限元分析软件 ANSYS 对造型十分复杂的某发动机缸盖结构建立了有限元模型，而后进行了自由模态分析计算，得到了该缸盖结构的低阶振动模态频率与模态振型^[17]。以王科富学者的研究为参考对船用空压机典型零部件进行有限元模态分析。

根据以上国内外现状分析可知，随着对空压机研究的进一步深入，空压机的振动和噪声已经引起人们足够的重视。曲轴，连杆及活塞作为发动机的一个重要部件，其动态特性直接影响发动机的整体性能。对空压机曲轴，连杆及活塞结构进行有限元模态分析有助于研究曲轴，连杆及活塞结构的动态特性，得到的相关数据对曲轴，连杆及活塞结构设计的改进与优化均有指导意义。

此项研究这对曲轴寿命研究与分析具有重要意义,为空压机减振和降噪提供理论依据。因此进行船用空压机典型零部件有限元模态分析对空压机曲轴、连杆及活塞在现代船舶结构设计中具有十分重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计（论文）主要内容：

本文主要研究内容包括：了解振动模态国内外研究现状；研究模态分析理论；运用三维建模软件Solidworks建立曲轴、连杆及活塞的三维实体模型；采用Hypermesh建立其有限元模型；借助有限元软件ANSYS对其进行模态分析，得到结构振动特性；研究影响其结构振动特性的因素等。