基于LMS Test.lab的涡轮增压器系统的模态分析

1、前言

为了进行增压器系统的动力学响应特性分析，需要对复杂的转子系统以及增压器壳体进行准确的有限元建模，从而保证计算结果的精确性。

2、增压器转子系统的模态分析

（1）实验模态分析

选用比利时 LMS 公司的LMS TEST LAB 实验模态分析系统，16 通道数据采集前端，江苏联能电子技术有限公司生产的LC-系列冲击力锤和PCB 模态传感器等。实验采用锤激实验法，加速度计固定于一点作为基准点，然后依次敲击转子系统上的相关试验点。

实验结果及分析见图1~图3。由图可知，两阶振型频率接近，振型相同，互相垂直90 度。

图 1 模态测试图

图2 一阶水平弯曲模态 1606Hz

图3 一阶垂直弯曲模态1623Hz

（3）有限元模型的验证

根据转子的CAD模型，采用Hypermesh进行了网格化分，中间直轴部分采用六面体单元，叶轮部分采用四面体单元，各部件之间采用节点相连。整个模型共划分单元185217 个，节点78941 个。材料参数根据材料手册选取，对涡轮叶轮及中间轴，弹性模量为206GPa，密度为7.8g/cm3，对压气机叶轮，弹性模量为70Gpa，密度为2.68g/cm3。CAD模型及有限元模型如图4 所示。

图4 转子系统的CAD 模型和有限元模型

利用HyperWorks 的OptiStruct 计算模块，进行了自由模态的计算，并与实验结果进行对比，考察转子有限元模型的正确性。对比结果如图5 及表1 所示。

图5 转子计算模态

表1 转子实验模态的结果与计算模态结果比较

由图5 和表1 可知，计算结果与实测结果最大误差为 4.05 % ，能够满足工程分析的需要，表明材料参数选择正确，该转子系统有限元模型可以用于后续的动力学分析。

3、增压器壳体模态分析

（1）增压器壳体的实验模态分析

将增压器整机用软绳悬吊，模态传感器依次在响应点上安装，力锤敲击，拾取传感器的振动信号，进行模态识别及振型的绘制。如图6。模态测试结果如图7~图9 所示。

（2）增压器整机的计算模态分析

根据 CAD 模型进行网格划分，如图10。共66485 个节点，256570 个四面体单元。材料参数如表2。压气机壳，中间壳及涡轮壳之间采用节点相连。兰索斯法进行模态分析。

图 10 增压器壳体的有限元模型

表2 材料参数

（一） 自由模态分析

图11 计算模态图

表3 增压器整机实验模态与计算模态比较：

由表3 可知，计算模态与实验模态误差＜10%，可以满足工程要求，说明该有限元模型可以用于后续的计算。

（二） 约束模态分析

在增压器与发动机螺栓连接处添加约束，螺栓孔添加对称约束，底面添加垂向约束，模拟计算增压器在工作状态下的约束模态。有限元模型如图12 所示。计算结果见图13 及表4 。

图 12 工作状态的有限元模型

图13 计算模态振型图

表4 约束模态分析：

分析图表可知，增压器在工作状态下存在499Hz，570Hz和912Hz三阶模态，也就是说，在工作时有可能被激起共振，恰与异响的频段吻合[1]。说明，异响是由浮动轴承振动激励，增压器共振壳体辐射而产生。

4、结论

采用LMS Test.lab 模态测试系统，对零部件进行模态测试，可以为有限元模型提供校正基准，验证有限元模型的有效性，为CAE 分析的顺利进行提供帮助。