孟浩東 張忠 徐年堯 王勇 鄒靈浩

摘要：針對某型農(nóng)用單缸柴油機油箱在標(biāo)定工況下受多源激勵作用產(chǎn)生的振動問題，融合傅里葉分解方法（FDM）、同步壓縮小波變換法（SWT）以及模態(tài)分析技術(shù)的優(yōu)勢識別油箱動態(tài)特性。采用FDM-SWT方法進(jìn)行標(biāo)定工況下油箱半載狀態(tài)振動響應(yīng)信號的自適應(yīng)分解與時頻特征提取，消除模式混疊對分解結(jié)果的影響，提高時頻分辨率，獲取油箱表面振動信號的主傅里葉固有頻帶函數(shù)分量及其時頻特性。采用模態(tài)分析技術(shù)識別油箱空載狀態(tài)與油液作用下油箱半載狀態(tài)的固有振動特性，在研究油箱振動響應(yīng)特性與其結(jié)構(gòu)固有特性兩者相關(guān)性基礎(chǔ)上，找到導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)。通過下箱體底部采用增加壓凹加強筋結(jié)構(gòu)設(shè)計措施提高油箱結(jié)構(gòu)剛度，避開結(jié)構(gòu)共振頻率，優(yōu)化油箱的動態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：單缸柴油機；油箱；模態(tài)分析；動態(tài)特性；時頻特征

中圖分類號：TK422

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0128-06

收稿日期：2022年12月23日? 修回日期：2023年2月7日*基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（12172153）；江蘇省高等學(xué)?；A(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究重大項目（22KJA410001，21KJA130001）；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目（CJ20220182）

第一作者：孟浩東，男，1979年生，江蘇無錫人，博士，副教授；研究方向為發(fā)動機振動、噪聲測試與控制。E-mail：? menghd@czu.cn

通訊作者：王勇，男，1989年生，江蘇靖江人，博士，副教授；研究方向為運載系統(tǒng)動力學(xué)及其控制。E-mail：? wangy1921@126.com

Research on dynamic characteristics identification of fuel tank of

agricultural single cylinder diesel engine

Meng Haodong1， Zhang Zhong2， Xu Nianyao1， Wang Yong3， Zou Linghao1

（1. School of Automotive Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， 213032， China;

2. CATARC （Tianjin） Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin， 300300， China;

3. Automotive Engineering Research Institute， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：

Aiming at the vibration problem of the fuel tank of agricultural single cylinder diesel engine caused by multi source excitation under the calibration condition， the structural dynamic characteristics of the fuel tank were identified by combining the Fourier Decomposition Method（FDM）， the Synchronous Compression Wavelet Transform（SWT） method and the modal analysis technology. Firstly， the fuel tank vibration signal was adaptively decomposed and its time-frequency characteristics were extracted under calibration condition by the method of FDM-SWT， the influence of mode aliasing effect on decomposition was eliminated and the time-frequency resolution was improved， the principal fourier intrinsic band functions components and their time-frequency characteristics of surface vibration signal of the fuel tank were obtained. Then， the modal analysis technique was used to identify the natural vibration characteristics of the tank under no-load and half load conditions. On the basis of studying the correlation between the vibration response characteristics of fuel tank and its structural natural characteristics， the weak links that led to the deterioration of its dynamic characteristics were found. Finally， the structural design measures of adding indenting stiffeners were adopted at the bottom of the lower box to improve the structural rigidity of the fuel tank， the structural resonance frequency was avoided and the structural dynamic characteristics were optimized.

Keywords：

single cylinder diesel engine; fuel tank; modal analysis; dynamic characteristics; time-frequency characteristics

0 引言

農(nóng)用單缸柴油機油箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)易損功能件［1， 2］，由于其輻射面積大、剛度較低，在農(nóng)用機械車輛復(fù)雜多變的工作使用環(huán)境下，極易受路面激勵、柴油機燃燒和機械激勵以及其儲存油液載荷的作用產(chǎn)生振動疲勞破壞損害，而造成箱體開裂與漏油等現(xiàn)象，不僅降低產(chǎn)品可靠性，而且嚴(yán)重影響車輛的安全性和舒適性。因此，準(zhǔn)確識別農(nóng)用單缸柴油機油箱的動態(tài)特性是指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)減振降噪的關(guān)鍵。

近年來國內(nèi)外學(xué)者多采用基于試驗測試與信號處理技術(shù)、仿真分析技術(shù)相結(jié)合的多信息融合技術(shù)識別汽車燃油箱及發(fā)動機箱體和板殼結(jié)構(gòu)件動態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)減振降噪［3-6］。楊毅晟等［2］采用理論和有限元模擬方法分析了農(nóng)用柴油機油箱開裂處的應(yīng)力，結(jié)合掃描電鏡斷口分析，發(fā)現(xiàn)油箱支撐板結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的疲勞導(dǎo)致了油箱的開裂。Chitkara等［7］基于計算流體動力學(xué)技術(shù)比較分析了內(nèi)部無擋板和有擋板結(jié)構(gòu)的汽車燃油箱在40%燃油填充條件下受縱向加速度激勵作用的晃動響應(yīng)特性。屠翔宇等［8］采用模態(tài)仿真與試驗相結(jié)合的方法分析了汽車燃油箱的振動特性，找到了振動響應(yīng)較大位置，為后續(xù)燃油晃動噪聲傳遞路徑分析與控制提供了基礎(chǔ)。孟浩東等［9］將同步壓縮小波變換法、模態(tài)試驗與仿真技術(shù)相結(jié)合，研究了柴油機油底殼的動態(tài)特性，通過采取油底殼側(cè)板與底板加強筋改進(jìn)設(shè)計措施提高了薄弱結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。孫釗等［10］應(yīng)用有限元模態(tài)分析方法和掃頻激振試驗方法識別了油箱空載狀態(tài)與半箱水狀態(tài)下的模態(tài)特性，找到了導(dǎo)致燃油箱下箱體破裂的原因，識別結(jié)果可指導(dǎo)后期燃油箱的改進(jìn)設(shè)計。王舒玉等［11］通過振動模態(tài)試驗對比分析了自由與安裝狀態(tài)邊界條件以及充液量對塑料燃油箱振動特性的影響，研究結(jié)果為后續(xù)建立其精確的動力學(xué)模型提供了試驗依據(jù)。綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者主要針對汽車燃油箱以及發(fā)動機油底殼開展基于液固耦合的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究，但關(guān)于采用多信息融合技術(shù)開展油液作用下農(nóng)用柴油機油箱動態(tài)特性方面的研究還較少。

本文以某型單缸農(nóng)用柴油機油箱為研究對象，首先在標(biāo)定工況下采用傅里葉分解方法［12， 13］（Fourier Decomposition Method，F(xiàn)DM）自適應(yīng)分解多源激勵作用下油箱半載狀態(tài)（即油液占油箱50%）的振動響應(yīng)信號，獲取影響其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的傅里葉固有頻帶函數(shù)分量（Fourier Intrinsic Band Functions，F(xiàn)IBF），融合同步壓縮小波變換法［14］（Synchronous Compression Wavelet Transform，SCWT）提取關(guān)鍵FIBF分量的時頻特征，然后利用脈沖激振法分析實際安裝狀態(tài)下油箱結(jié)構(gòu)振動的頻響特性，最后采用有限元模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)一步識別分析油箱在半載和空載狀態(tài)（空油箱）下的模態(tài)特性，研究油箱模態(tài)特性與其振動響應(yīng)特性兩者之間的相關(guān)性，找到導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)，研究結(jié)果指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計。

1 農(nóng)用單缸柴油機油箱振動試驗分析

1.1 FDM-SWT識別方法概述

在工作工況下，油箱受柴油機燃燒與機械激勵以及箱體內(nèi)油液激勵引起的振動響應(yīng)信號表現(xiàn)為非平穩(wěn)、非線性以及多重耦合特性。采用基于傅里葉變換和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解原理的傅里葉分解方法結(jié)合同步壓縮小波變換法識別油箱振動信號特征。

首先，定義傅里葉固有頻帶函數(shù)FIBF在滿足具有零均值、正交性及其解析函數(shù)的瞬時頻率和幅值均不小于零等條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)傅里葉變換原理對油箱振動響應(yīng)信號x（n）進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得X［k］；再采用前向搜尋算法對信號按照從低頻到高頻搜尋解析傅里葉固有頻帶函數(shù)（Analytic FIBF，AFIBF），此搜索方法如式（1）所示。

1.2 油箱振動特性識別試驗分析

本文研究對象為某型單缸臥式直噴四沖程柴油機，缸徑為115 mm，臺架振動試驗采用水力測功機，通過測功機加載柴油機，獲得柴油機對應(yīng)轉(zhuǎn)速的輸出功率，其中柴油機與試驗臺架通過螺栓連接，并通過傳動軸與測功機相連；采用的國產(chǎn)VTCL_DSP振動測試系統(tǒng)由力錘、加速度傳感器、A/D同步采集器、筆記本電腦、振動信號采集與分析軟件等構(gòu)成。在柴油機標(biāo)定工況下本文依據(jù)GB/T 7184—2008《中小功率柴油機振動測量及評級》規(guī)定進(jìn)行油箱半載狀態(tài)的振動試驗，其中油箱振動測點布置在上箱體表面和下箱體側(cè)面部位，待柴油機工況穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，功率為17 kW，利用VTCL_DSP振動測試系統(tǒng)采集油箱測點位置的振動加速度信號，其中信號采樣頻率設(shè)置為10 240 Hz，油箱振動測試系統(tǒng)及測試點具體位置如圖1所示。

首先，基于快速傅里葉變換原理對標(biāo)定工況下垂直油箱表面方向測取的振動信號x進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知，油箱振動能量主要集中在以370 Hz左右為峰值頻率的低頻區(qū)域，但其頻譜組成成分復(fù)雜，不能準(zhǔn)確地識別結(jié)構(gòu)振動特征頻率，更無法獲取其時頻信息。

其次，采用FDM前向搜尋算法對油箱振動信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，得到按照從低頻到高頻排列的12個傅里葉固有頻帶函數(shù)分量和1個殘余分量，其中殘余分量值近似等于0。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)系數(shù)篩選準(zhǔn)則確定主要FIBF分量，本文相關(guān)系數(shù)ρ閾值設(shè)定為0.4，部分FIBF分量與原信號之間相關(guān)系數(shù)的結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，油箱振動信號被充分分解、結(jié)果穩(wěn)定，其中相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定閾值的主FIBF分量個數(shù)為3，分別為FIBF1、FIBF4和FIBF5。

最后，采用SWT方法對上述分解獲得的油箱結(jié)構(gòu)振動信號主FIBF分量進(jìn)行時頻特征提取，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，采用FDM-SWT方法分解油箱振動信號獲得了3個主FIBF分量；FIBF1分量的特征頻率為73.44Hz，與單缸柴油機二階不平衡往復(fù)慣性力激勵頻率73.33 Hz相吻合，說明FIBF1分量是由柴油機運轉(zhuǎn)工作中產(chǎn)生的二階不平衡激勵力引起。FIBF4分量信號的加速度幅值高達(dá)300 m/s2，其振動響應(yīng)能量峰值主要集中在以370 Hz為中心頻率的低頻帶范圍，其特征頻率接近二階振動的5倍諧次頻率，并呈現(xiàn)明顯的時間周期瞬態(tài)特性，而油箱的振動能量主要集中在此頻帶，說明FIBF4分量是由機械激勵引起的結(jié)構(gòu)主振動響應(yīng)，同時FIBF4與x之間兩者相似系數(shù)最大，值為0.59，說明FIBF4分量為影響結(jié)構(gòu)振動特性的關(guān)鍵傅里葉固有頻帶函數(shù)分量。FIBF5分量的特征頻率為440 Hz，也是受柴油機激勵引起的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。綜上分析結(jié)果，減小油箱在半載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)振動的關(guān)鍵是降低主FIBF4分量的振動響應(yīng)能量。

結(jié)合圖4，比較應(yīng)用FDM-SWT方法和集總平均經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒?lián)合連續(xù)小波變換方法（EEMD-CWT方法）處理油箱振動信號結(jié)果，采用EEMD方法分解原信號能將高低頻分量分出，得到主要固有模態(tài)函數(shù)分量IMF3～I(xiàn)MF6，其中IMF3和IMF4分量中都包含370 Hz特征頻率成分，說明采用EEMD方法分解信號發(fā)生了模態(tài)混疊現(xiàn)象，產(chǎn)生了不正確的IMF分量，而采用FDM方法能有效克服模態(tài)混疊，通過自適應(yīng)分解信號正確獲得其具有獨立物理意義的FIBF分量。

由圖4可知，采用連續(xù)小波變換處理方法提取油箱振動信號主要IMF分量的時頻局部化特征時產(chǎn)生了混淆，而同步壓縮小波變換方法能克服時頻模糊現(xiàn)象，提高時頻聚集性和可讀性，能有效提取油箱振動信號FIBF分量的時頻特征，相比較EEMD-CWT方法分析結(jié)果，說明采用FDM-SWT方法在準(zhǔn)確提取油箱主振動FIBF分量時頻局部信息特征方面更具優(yōu)勢。

為找出油箱結(jié)構(gòu)主振動致使其動態(tài)特性變差的原因，采用脈沖激振法進(jìn)行實際安裝條件下油箱半載狀態(tài)的頻響特性分析，其中利用力錘在垂直油箱結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行激勵再拾取同向的振動響應(yīng)，最終獲得的油箱頻率響應(yīng)函數(shù)如圖5所示。

從圖5可知，油箱結(jié)構(gòu)在半載狀態(tài)下存在以368 Hz為峰值頻率的某階約束模態(tài)主導(dǎo)頻率，與標(biāo)定工況下其結(jié)構(gòu)振動的FIBF4分量的特征頻率基本相一致，說明油箱結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率落入了單缸柴油機工作激勵頻率區(qū)間，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，而控制油箱主振動優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵是避開結(jié)構(gòu)共振頻率以降低其低頻帶的振動響應(yīng)能量。

2 農(nóng)用單缸柴油機油箱有限元模態(tài)分析

根據(jù)油箱的振動試驗分析結(jié)果，為準(zhǔn)確識別油箱的動態(tài)特征，采用有限元仿真分別計算油箱在油液狀態(tài)下和空載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)約束模態(tài)，通過分析比較找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，使結(jié)構(gòu)模態(tài)主導(dǎo)頻率避開共振頻率。

首先建立鋼板油箱裝配體的有限元仿真模型，總裝配體由上箱體、下箱體、箱蓋、連接板以及固定板等零部件組成，其中忽略對計算結(jié)果影響較小的加強筋、倒角、圓角等，然后根據(jù)標(biāo)定工況下油箱內(nèi)油液填充區(qū)域提取油液流體模型，再劃分箱體與油液流體網(wǎng)格，其中選取四面體網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為6 mm，油箱充液量為50%的油液流域與箱體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

在穩(wěn)態(tài)工況下，油箱箱體（固體）與箱內(nèi)油液（液體）之間無相互運動，可不考慮油液黏性，將油液區(qū)域定義為Acoustics Region，同時為模擬油箱在機體上的實際安裝狀態(tài)，其上、下箱體之間的四個螺栓連接以及箱體支撐板上的兩個螺栓連接均為固定約束，在此基礎(chǔ)上采用Acoustic Modal 模塊［16］分析，計算油箱在半載狀態(tài)下的約束模態(tài)，部分計算結(jié)果見表2所示，其中油箱在半載狀態(tài)下的第10階約束模態(tài)振型以及油箱在空載狀態(tài)下的第7階約束模態(tài)振型如圖7所示。

從表2分析可知，油箱在半載狀態(tài)下的各階約束模態(tài)頻率均小于其空載狀態(tài)下相對應(yīng)的模態(tài)頻率，說明油液重力載荷作用油箱致使其固有頻率降低，其中油箱的第10階約束模態(tài)頻率為372.13 Hz，與標(biāo)定工況下油箱振動響應(yīng)引起的FIBF4分量特征頻率相接近，落入了結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間。因此，仿真與試驗結(jié)果相符，油箱在半載狀態(tài)下的第10階約束模態(tài)頻率是控制油箱結(jié)構(gòu)共振的主導(dǎo)頻率。

進(jìn)一步從圖7分析可知，油箱在半載狀態(tài)下的第10階約束模態(tài)振型表現(xiàn)為上下箱體表面平板結(jié)構(gòu)作類似鼓面振動，其中下箱體底面部位振動變形相對較大，同時結(jié)合油箱在空載狀態(tài)的第7階約束模態(tài)振型，下箱體側(cè)面部位振動相對也較大。油箱屬于鋼板箱體薄壁件，由于其容積和輻射面積大、剛度相對薄弱，導(dǎo)致油箱整體結(jié)構(gòu)剛度不足。因此，綜上所述油箱下箱體底面以及側(cè)面部位是影響油箱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)。

3 農(nóng)用單缸柴油機油箱動態(tài)特性改進(jìn)分析

綜合油箱振動試驗與有限元仿真分析結(jié)果，要降低標(biāo)定工況下油箱半載狀態(tài)結(jié)構(gòu)主振動的振動響應(yīng)能量，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的目的，可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計使主導(dǎo)約束模態(tài)頻率避開結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間。在確保改進(jìn)結(jié)構(gòu)不會對油箱裝配產(chǎn)生干涉影響條件下，針對油箱下箱體底部通過采取增加壓凹加強筋結(jié)構(gòu)［17］設(shè)計措施來提高結(jié)構(gòu)整體剛度，其中下箱體底部凹槽下側(cè)以及右側(cè)分別增加橫向和縱向壓凹加強筋，加強筋高度為5 mm、長度為170 mm、寬度為16 mm，下箱體底部改進(jìn)前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

采取上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案后再分別進(jìn)行油箱在空載和半載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)約束模態(tài)計算，部分計算結(jié)果如表3所示，其中改進(jìn)油箱在半載狀態(tài)下的第10階約束模態(tài)振型以及其在空載狀態(tài)下的第7階約束模態(tài)振型如圖9所示。

從表3和圖9可知，針對油箱下箱體底部采用增加壓凹縱橫加強筋設(shè)計措施后能有效提高油箱整體結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率，其中油箱在空載狀態(tài)下第7階約束模態(tài)頻率提高了20.34 Hz，而油箱在半載狀態(tài)下的第10階主模態(tài)的約束模態(tài)頻率提高了18.78 Hz，有效避開了結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間，其主振型振動相對變形量也隨之減小。下一步將根據(jù)油箱結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的仿真改進(jìn)效果進(jìn)行試驗驗證。

4 結(jié)論

1） 在標(biāo)定工況下，考慮油液影響的鋼板油箱在半載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)振動的主傅里葉固有頻帶函數(shù)分量存在以370 Hz為中心的峰值頻率，原因是油箱的約束模態(tài)主導(dǎo)頻率落入了單缸農(nóng)用柴油機的工作激勵頻率區(qū)間導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，控制油箱結(jié)構(gòu)振動的關(guān)鍵是降低其主傅里葉固有頻帶函數(shù)分量的振動響應(yīng)能量。

2） 油箱在半載狀態(tài)下的第10階約束模態(tài)頻率是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)共振的主導(dǎo)模態(tài)頻率；油箱的下箱體底面以及側(cè)面部位是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)；下箱體底部通過采取增加壓凹加強筋結(jié)構(gòu)設(shè)計措施提高油箱整體結(jié)構(gòu)剛度，使其第10階約束模態(tài)頻率提高18.78 Hz，有效避開結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間。

3） 融合FDM-SWT方法與模態(tài)分析技術(shù)的優(yōu)勢，自適應(yīng)分解標(biāo)定工況下油箱在多源激勵下的振動響應(yīng)信號，獲取影響其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的主傅里葉固有頻帶函數(shù)分量及其時頻特征，識別油箱在半載和空載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)振動的模態(tài)特性，研究兩者之間的相關(guān)性，找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)，通過采取增加下箱體底部壓凹加強筋結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

參 考 文 獻(xiàn)

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