1．目的及意义

柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低、使用维修方便等优点而优于蒸汽机、燃气机等，在民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了主导地位^[1]。其中曲轴箱作为发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩，通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件运行工作。发动机曲轴箱表面振动是受众多激励共同作用导致的，其中主要包括燃烧爆发压力、活塞连杆的往复惯性力，配气机构撞击以及其他一些激励作用。有相关实验表明，如果利用柴油机机身的整体振动、局部振动、扭转振动可以进行配气机构、连杆轴承、燃油系滑动主轴承等运动零件的故障诊断，并且诊断的速度和精度也非常的高，数据的误差性也会相对小一些^[2]。

目前模态分析的研究趋势是把有限元模态分析与试验模态技术相结合，通过有限元模态分析结果指导试验模态分析，而后利用试验模态分析结果检验与修正有限元模型，再利用修正后的有限元模型重新进行模态分析以及后续的频响分析等动力学计算^[3]。

我国有限元技术研究、开发和应用可以说是几起几落，走着一条十分艰难的发展之路。我国学者提出的有限元分析的理论几乎是与国外同步出现的，但是当时由于计算机硬件条件的限制和政治社会环境的影响，在相当长一段时期，我国有限元技术发展受到阻碍。近些年由于工程应用的需要，我国有限元技术又重新焕发了生机，引起了各方面广泛重视。国内学者在前人的研究基础上，用有限元分析方法对柴油机机体进行研究，目前的研究现状：北京理工大学与上海柴油机股份有限公司合作，利用大型有限元分析计算软件ANSYS对6135柴油机机体进行了新老柴油机机体的对比有限元静力分析和模态分析对比，并提出了合理的改进方案^[4]。赵伟敏^[5]等利用动态有限元和试验模态分析技术研究S195柴油机的动态特性，从固有频率和振型两个方面进行比较，两种方法的分析结果，基本一致。通过研究结构的受迫响应模拟分析，从各部分变形数据分析实际使用过程中产生的故障机理。孙德林^[6]等应用有限元法在I-DEAS软件上对MWM395柴油机机体进行了模态分析。运用Lancozas法对该模型进行求解并分析了模态计算结果。然后在机体结构不做大的改动的情况下，建立了不同的机体模型并求解。通过对各方案所求结果的比较，提出一种提高深龙门型机体刚度的方法，同时为机体的动态响应分析提供了可靠的动力学模型。汪洪州^[7]应用有限元模态分析法对ZH1105柴油机机体进行了模态分析，利用I-Deas软件的三维几何造型技术，建立了简化后的和完整的柴油机机体的几何实体模型。然后对两种模型分别进行了自由模态和约束模态的材料特性选取、有限元网格划分、边界条件限制、计算模式选择等方面的模态计算、分析工作分别得出机体的模态参数和固有振型。根据这一结果，进一步从振动控制的角度上对该机体的结构特点和机体结构薄弱环节作了分析，并相应地提出了结构的改进方案。阅沛祯^[8]等人采用ANSYS有限元分析软件建立了495型柴油机机体的有限元模型，对机体进行自由模态分析，并对机体进行了试验模态分析。根据模态分析结果，得出机体的固有振动特性。

国内学者比较倾向于利用有限元软件对柴油机的整体进行模态分析，而国外学者对柴油机的模态分析更多的偏向于局部个体的分析，对柴油机某部分进行模态分析的现状：Mendes Alexandre Schalch^[9]等采用混合仿真的方法包含弹性多体系统动力学的求解和有限元方法，对曲轴箱与曲轴相互作用的动态耐久性分析。Rahman Mosfequr^[10]等从设计的角度出发，利用ANSYS workbench进行仿真。对柴油机活塞机构进行静、动态有限元分析，确定了柴油机不同部件的合适尺寸，避免了柴油机在使用过程中的故障。同时也确定总变形、应力和其他必要的参数。Ghaisas Deepak^[11]等对三缸发动机缸体进行模态试验和数值模型的建立，利用有限元模型选择激励和响应位置进行关联，采用模态保证准则(MAC)验证了有限元模型与试验模态试验的准确性。最终通过有限元模型了解子总成和最终整个发动机总成的振动行为。Copley David C^[12]对柴油机机体建立混合有限元分析/统计能量分析模型。采用混合FEA/SEA方法，在标准SEA模型的较低频段上改善了与实验结果的相关性。讨论了如何获得调整机体结构负载的方法，以及模型特征和细节。

根据以上国内外现状分析可知，对柴油机曲轴箱的研究模态分析的研究很少，国内学者更多的倾向于研究机体整体的模态分析和曲轴箱爆炸这些方面，国外学者对曲轴箱的研究就更少了^[13-16]。

为了更好地降低柴油机曲轴箱的振动的情况，保证柴油机长期稳定的工作，减少柴油机的故障的发生，必须深入的研究柴油机曲轴箱的振动情况，分析振动的原理，找出最优化的解决方案。因此对柴油机曲轴箱进行模态分析和研究具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值^[17-22]。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究内容

主要完成对船用柴油机的发展现状及应用调研、柴油机的结构和工作原理分析的学习；学习掌握有限元、模态分析的相关知识，建立柴油机曲轴箱的三维几何模型；利用ANSYS软件分析对曲轴箱进行模态分析，根据仿真结果分析并找出曲轴箱振动的原因，并在此基础上提出优化方案等。

2.2 研究目标

以船用柴油机曲轴箱为研究对象，利用ANSYS软件对柴油机的曲轴箱进行有限元模型建立和模态分析。深入学习相关理论知识和学会相应软件的运用；实现减少柴油机曲轴箱振动的研究目标；为以后研发国产化大中型船用柴油机提供实际的理论基础。

2.3技术方案及措施