（动力机械及工程专业论文）发动机及其装置的薄壁结构的优化设计.pdf

中文摘要 噪声是一种环境污染。城市噪声的主要来源是车辆噪声，而发动机噪声又是 车辆噪声的主要组成部分。目前，人们一直在发动机及其装置的减振和降噪方面 进行了很多研究工作。控制发动机及其装置的辐射噪声已经成为了发动机行业和 汽车行业的紧迫任务。 本文围绕发动机及其装置低噪声设计这一核心问题，结合现代设计方法从不 同角度对发动机及其装置的辐射噪声控制措施进行了全面系统的理论分析和试 验研究。动力机械的辐射噪声产生于结构表面振动，通过控制振动来控制其辐射 噪声是机械工程师长期追求的目标。本文针对薄壁结构的特点及薄壁结构对辐射 噪声的影响，结合企业工程项目提出了三类薄壁结构的低噪声改进设计研究。 基于现代设计理论和方法中的参数化实体建模技术和有限元分析技术，本文 分别针对摩托车( z s l o o 车架总成) 和发动机( y h 4 6 5 汽油机、y n 4 1 0 0 q b 柴油机) 的薄壁结构特点分析研究并建立了一个完整的薄壁结构低噪声优化设计平台。其 中包括薄壁结构三维实体模型的建立，三维有限元模型的建立，基于有限元模态 分析结果的薄壁结构优化设计，以及最终优化方案的样机实测分析。本文提出了 一套适用薄壁结构的几何模型简化原则，有效地解决了三维详细实体模型同三维 有限元模型之间的转换问题。采用了试验模态方法来快速、有效地对有限元模型 的正确性进行验证。尝试运用现代设计方法专门针对薄壁结构进行优化设计，并 取得了显著的降噪效果。 依据本文提出的现代设计模式，分别对y n 4 1 0 0 q b 柴油机的油底壳，y h 4 6 5 汽油机的油底壳和z s l 0 0 车架总成分别进行了低噪声优化设计，使得样机试制成 功，实验考核证实了这一设计模式的可行性和可靠性。整个薄壁结构低噪声优化 设计过程显示，上述现代设计模式大大降低了开发成本，缩短了开发周期，提高 了产品的质量，解决了动力机械领域面临亟待解决的问题，对我国现代发动机及 其装置结构设计具有重要的工程参考意义。 关键词：发动机有限元法优化设计薄壁结构辐射噪声模态分析 a b s t r a c t n o i s ei sah n do fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h en o i s ei nc i t ym a i n l yc o m e sf r o mt h e v e h i c l ea n dt h ev e h i c l e n o i s em o s t l yf r o mt h ee n g i n e r e c e n t l y , p e o p l ek e e pw o r k i n g o nt h er e s e a r c ho fv i b r a t i o nr e d u c t i o na n dl o w e rn o i s ei nt h ef i e l do fe n g i n ea n di t s d e v i c e s ot h ep r e s s i n gt a s kt o d a yi st oc o n t r o lt h er a d i a t e dn o i s eo fe n g i n ea n di t s d e v i c e t h i st e x th a sg i v e nd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c hi nm a n yw a y st o c o n t r o lt h er a d i a t e dn o i s eo ft h ee n g i n ea n di t sd e v i c e t h er a d i a t e dn o i s eo ft h e d y n a m i c a lm e c h a n i s mc o m e sf r o mi t ss u r f a c ev i b r a t i o n c o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o nt o r e d u c et h er a d i a t e dn o i s ei sal o n g - t e r ma i mf o rm o s tr e s e a r c h e r s a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e ro ft h es h e l lc o m p o n e n ta n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er a d i a t e dn o i s ea n dt h e s h e l lc o m p o n e n t ，t h i st e x th a sg i v e nt h el o w e r - n o i s ed e s i g no ft h r e ek i n d so fs h e l l c o m p o n e n t sc o m b i n e d 、i t l lt h ee n t e r p r i s ep r o j e c t s b a s e do nt h ep a r a m e t e r i z e de n t i t ym o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm o d e m d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d ，t h i st e x ta n a l y s e st h et r a i t so f t h em a i nb o d yo f t h ez s l o o m o t o r c y c l ea n dt h eo i l p a n so f t h ey h 4 6 5g a s o l i n ee n g i n ea n dt h ey n 4 1 0 0 q bd i e s e l e n g i n ea n da l s ob u i l d sa ni n t e g r a t e dl o w e r - n o i s eo p t i m i z a t i o nd e s i g np l a t f o r mf o r s h e l lc o m p o n e n t t h i sp l a t f o r mi n c l u d e st h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l i n g ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nt h ef m i t e e l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t i ta l s oi n v o l v e st h es a m p l et e s tr e s u l to ft h eu l t i m a t e o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h i st e x tp u t sf o r w a r das e r i e so fg e o m e t r ym o d e ls i m p l i f i e d p r i n c i p l eo ft h es h e l lc o m p o n e n t ，w h i c hc a r ls o l v et h et r a n s i t i o np r o b l e mb e t w e e nt h e t h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e la n dt h et h r e e d i m e n s i o n mf i n i t ee l e m e n tm o d e l e x p e r i m e n t a lm o d e lm e t h o dc a nb ea d o p t e dt ov a l i d a t et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l m o d e md e s i g nm e t h o dc a nb ei n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h es h e l lc o m p o n e n ta n dg e tt h e o b v i o u se 行色c t a c c o r d i n gt h em o d e md e s i g np a r e mw h i c hi si n t r o d u c e di nt h i st e x t ，t h em a i nb o d y o ft h ez s l o om o t o r c y c l ea n dt h eo i l - p a n so ft h ey h 4 6 5g a s o l i n ee n g i n ea n dt h e y n 4 1 0 0 q bd i e s e le n g i n ec a nb el o w e r - n o i s eo p t i m i z e d t h e i rs a m p l et e s t sv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h i sd e s i g np a t t e m t h ep r o c e s so ft h el o w e r - n o i s e o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h es h e l lc o m p o n e n ts h o w st h a tt h ed e s i g np a t t e r nb e l o wc a r l d e c r e a s et h ed e v e l o p m e n tc o s t ，s h o r t e nt h ec y c l e ，a n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t a l li na l l ，i tw i l lh a v et h e r e f e r e n c em e a n i n gi nt h eo p t i m i z ed e s i g no f t h e m o d e m e n g i n ea n di t sd e v i c e k e yw o r d s i ce n g i n e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o p t i m i z e dd e s i g n ，s h e l l c o m p o n e n t s ，r a d i a t e dn o i s e ，m o d a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 萄晴 签字日期： 口b年2 月曰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；碡d 、锅 签字日期：d 1 7 年】月 7 日 导师签名 签字日期 e 皎批 6 ( 年v 月。日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 动力装置广泛地应用于汽车、航空、航天、船舶等领域。现代工程中，动力 机械的振动噪声问题日益受到人们的关注，所以对其振动噪声的控制也成为现代 机械设计的一项重要课题。工程中的大部分结构都是承受各种动力载荷的动力机 构，动力机构就不可避免产生振动。振动会使构件疲劳破坏，轴承摩擦磨损，机 构传动失灵，紧固件松脱；振动还会消耗能量，降低效率；而且振动常伴有噪声， 恶化环境。而今，动力结构的发展趋势是轻量化、复杂化、大型化以及商速化， 由此带来的振动问题将更为突出。 噪声是一种环境污染。广义上讲，噪声指人们不需要或不欢迎的声音；而从 物理学观点上讲，它主要指声强和频率变化无规律或杂乱无章的声音。高强度的 噪声会对人类的身体健康和日常生活都带来危害。一方面，噪声使人听力减退， 头晕，头疼，失眠；另一方面，噪声使人产生情绪烦躁，注意力不集中，反应迟 钝，记忆力差等症状。人们长期在噪声环境下工作，会使工作效率降低，健康水 平下降，抵抗力减弱等【l 】。随着人们生活水平的提高，对环境的要求也更加苛刻， 所以对噪声的控制问题也越来越严格。 环境噪声污染一般包括交通噪声、建筑噪声、工业噪声、社会生活噪声等。 各种测量和调查结果表明，城市交通噪声是目前城市环境的主要噪声源吲，而交 通噪声又主要来源于汽车噪声。汽车的噪声源有多种，例如发动机、变速器、驱 动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、喇叭、音响等等都会产生噪声。 这些噪声有些是被动产生的，有些是主动发生的( 如人为按动喇叭) 。但是主要 来源只有两个方面，一个是发动机，另一个是轮胎，它们都是被动发生的，只要 车子行驶就会产生噪声。 车用发动机是现代汽车动力系统的核心构成部分。随着新产品、新技术的发 展，我国车用发动机在动力性、经济性以及环境影响控制方面也在不断升级。一 方面，发动机无故障时问加长，升功率提高，燃油经济性提高，以及排放污染物 不断降低；另一方面，随着现代发动机朝着小型化、轻量化、高速化的方向发展， 动力增加以及重量降低也会致使振动和噪声问题更加突出。所以，对发动机振动 和噪声的控制是刻不容缓的。随着计算机技术的飞速发展，以及现代设计理论和 第一章绪论 方法在发动机领域的应用，为发动机的减振降噪技术提供了新的途径。 本文主要针对发动机及其装置的薄壁部件进行优化设计。发动机中大量使用 罩、壳、盖类薄壁结构的零部件，例如油底壳，齿轮室盖，气缸盖罩等。这些部 件的特点是面积大且由薄钢板制成，所以易在激振力作用下产生振动，从而伴随 辐射噪声污染环境。因此降低这些薄壁件的振动是降低发动机辐射噪声和总体噪 声的重要环节。 1 2 发动机及其装置薄壁结构的特点 薄壁结构是指其厚度远小于其他两个尺寸的薄板或薄壳结构。在工程实际中 有很多动力机械都采用薄壁结构，如船体、飞机、桥梁、起重、机动车以及某些 建筑等，都是由薄板或薄壳结构组成的。薄壁结构以其质量轻，造型随意等优点 得到广泛的使用；但它的缺点是结构简单、刚度差，所以在工作时极易产生机械 振动并向外界辐射噪声。所以对薄壁结构进行减振设计是机械设计的一项重要任 务。本文将在后续章节主要针对摩托车( z s l 0 0 车架总成) 和发动机( y h 4 6 5 汽 油机、y n 4 1 0 0 q b 柴油机) 的薄壁结构特点分别进行分析研究和优化设计。 1 2 1 摩托车中的薄壁结构 摩托车因其快捷、轻便、舒适、美观以及适应性强、驾驶简便、维修容易、 价格低廉等特点，成为当代社会重要而且普及的交通工具。随着摩托车工业的迅 猛发展，摩托车技术飞速进步，产品数量和品种也越来越多。虽然摩托车功能日 趋扩大，造型日新月异，部件的结构形式和安装位置也多种多样，但其总体构造 都基本相同。 摩托车一般由行走系统、操纵及制动系统、传动系统、供油系统、电气系统 和发动机等组成p l 。因为薄壁结构的特点与摩托车轻便的特点相符合，所以在摩 托车的每个系统中都采用了薄壁结构。例如，摩托车的车架总成、前后悬架，操 纵制动以及前后轮总成都采用薄壁管和薄板结构，油箱采用封闭薄壳结构，发动 机中也采用了许多罩壳类的薄壁结构，这些薄壁都是摩托车的主要表面辐射噪声 部件，尤其是车架总成部分，对其进行优化设计，会对整个摩托车的减振降噪起 到很大影响。 第一章绪论 1 2 - 2 发动机中的薄壁结构 发动机一般由缸盖、缸体一曲轴箱和几个主要的罩壳类零件( 缸盖罩、齿轮 2 5 图1 1 某发动栅表面耦射噪声分布 室罩、油底壳) 组成。其中发动机的 罩壳类零件是它的主要表面辐射噪 声源【4 j 。 图1 - 1 表示某分隔式发动机在 未经声学优化时在2 0 0 0 r m i n 、全负 荷时表面各部分辐射噪声的百分比 【5 】。 如图所示，油底壳辐射的噪声约占整 机噪声的2 5 ，若再加上缸盖罩以及 齿轮室罩等，这些盖罩表面辐射的噪 声将超过整机噪声的三分之一。在发 动机薄壁件中，油底壳是最为典型的结构，具有最大的辐射表面，国外对油底壳 的设计也十分重视嘲。由此可见，对发动机中的薄壁结构进行优化设计，特别是 针对油底壳进行优化设计是降低发动机表面辐射噪声的一项关键内容。 1 3 发动机及其装置薄壁结构的振动噪声控制 动力机械中的薄壁部件由于其刚度小、质量轻、面积大的特点，一方面容易 强烈振动产生辐射噪声；另一方面也容易与相连部件发生共振【7 1 共振是振动的 一种特殊状态，是一种能量传递。它既像一个放大器又像一个储能器，当振动机 械的扰动激振力的振动频率与设备的固有频率一致时，就会使设备振动加剧，共 振起到放大传递、长距离传递的作用。共振可以使微小的动力得到较大的振动力， 这是其积极的一面：但共振带来的破坏和灾难也十分重要，所以需要对其进行控 制。 针对薄壁件的振动问题采用的方法一般为： l 改变机械结构的固有频率：如改进整体结构和总的尺寸的整体加强法和加 筋、添加加强板和多加支撑点的局部加强法等； 2 改变动力机械振源的扰动频率：如改变机器的转速或更换机型等； 3 采用粘弹性高阻尼材料：增加其阻尼，可以增加振动的逸散，降低其振幅。 现代的新型发动机( 特别是轿车用发动机) 都采用铸铝的油底壳和气缸盖罩， 而且在油底壳上加不规则的加强筋，以达到加强刚度，减小噪声的作用。如f o r d 第一章绪论 公司的4 2 0 系列发动机，所有的罩壳都是用钢板冲压的。而0 h c 4 2 0 的替代产品 d o h c 4 2 0 则将油底壳和气缸盖罩都改为铸铝材料，并取消了传统的齿轮室罩，而 是将正时机构置于缸体前端特别铸造的空腔内。此外，还可将罩壳类部件用阻尼 材料覆盖，以达到降噪的目的。 1 4 发动机及其装置薄壁结构振动噪声的研究现状 薄壁结构易产生强烈振动又会辐射噪声，所以各国工程师一直在进行着降低 其振动和辐射噪声的研究工作，特别是针对发动机中的薄壁件，主要是在模态分 析的基础上提出各种新的方法和软件，其中一些已应用在工程实践，并取得良好 的效果。 1 4 1 发动机及其装置薄壁结构的噪声预测方法的发展 动力机械的辐射噪声产生于结构表面振动【s l ，通过控制振动来控制辐射噪声 是机械工程师长期追求的目标。由于结构振动和辐射噪声之间的关系极其复杂， 在确定的结构振动条件下，精确计算结构的辐射噪声水平是降低结构辐射噪声和 进行结构优化设计的基础和必要的措施【9 】同时，噪声预测是噪声评价工作中的 重要组成部分，计算预测或测量同类声源在一定工况下、一定边界条件下向外界 辐射噪声能量，再依据待预测地区的边界条件计算一定范围内的噪声影响。国内 外研究人员对薄壁构件的噪声预测做了大量的研究工作。由于发动机振动激励及 噪声预测问题的复杂性，理论研究工作主要集中在预算算法的研究上【9 】，工程问 题大多考虑单点简谐激励下构件的噪声辐射预测，或者在测出构件表面振动速度 的情况下，预测辐射噪声【l o 。 在五十年代末和六十年代初，国外就开始进行发动机及其装置的噪声研究工 作。1 9 7 3 年，英国的e c g r o v e r 和n l a l o r 发表了低噪声柴油机设计综述的文章 “”。1 9 7 5 年，n l a l o r 和m p e t y t 在s a e 上发表了作为噪声源的发动机结构振动模 态【l ”。1 9 7 9 年，c h u n g 应用声学密度测量的方法对这一问题进行了论述。1 9 8 2 年，m f r u s s e l l 论述了柴油机噪声控制技术1 1 3 1 。1 9 8 8 年，英国的w i l c o x c l a r e 完成了有关低噪声发动机结构性装优化的博士论文【1 4 】。后来，许多学者又相继发 表了关于这一问题的论文，使得噪声预测问题由理论探讨向实用化迈进了一大 步。1 9 9 0 年，a f f e n z e l l e r 对国外前期所作的工作进行了总结，尤其对细节问题 进行了详细探讨。1 9 9 2 年，奥地利的b e i l d c h r i s t i a n 用有限元法计算了发动机 的结构辐射噪声，并讨论了发动机不同部件结构刚度和阻尼参数对发动机结构辐 射噪声的影响l l ”。 第一章绪论 国内最早是1 9 9 2 年吉林工业大学的俞明、李惠珍等在国内内燃机行业首次 讨论发动机结构噪声的计算方法，但由于受计算条件的限制，其所建立的有限元 模型相当粗糙，而且一些机体的附件没有考虑，结构声辐射参数如何选取也没有 研究。1 9 9 3 年，刘佳才等提出了利用广义传递函数与激励力谱叠加来获得声功 率谱的方法，对噪声预测问题进行了扩展。2 0 0 2 年，葛蕴珊，李慧明就柴油机 中薄壁部件的辐射噪声控制流程进行了阐述；阐述了利用有限元和边界元技术进 行噪声辐射的问题“o j 。 目前，国内外多用试验结合有限元法对油底壳进行模态分析。1 9 9 2 年，蒋 维铭等提出了柴油机油底壳辐射噪声的估算方法，运用a l g o rf e a s 软件包对 6 1 0 5 q a 型油底壳有限元模型进行无阻尼自由振动分析和有限元动力响应分析，将 估算结果与试验结果对比表明，两者结论基本一致，从而证明方法可行； 2 0 0 1 年，袁兆成、陆晓军分别通过模态试验得到了无润滑存在时的油底壳振动参数【1 1 ； 2 0 0 3 年，邓晓龙等提出采用有限元法和边界元法建立轻流体介质中复杂结构振 动声辐射的分析模型，以6 1 0 8 柴油机油底壳为具体研究对象，用有限元法计算 其表面振动速度，进行相应数据处理后，再利用边界元法计算结构的辐射声功率、 场点声压、固体声和辐射效率等声场特性参数，并对油底壳进行模态分析，研究 了约束条件及激励力作用位置对声辐射的影响【1 阳。 此前进行的工作大多并未考虑润滑油的存在对油底壳振动的影响。2 0 0 1 年， 周卫元等介绍了一种有限元耦合方法在结构振动计算中的应用；同年，莱姆( l a i n ) 等人在对缸盖罩研究中考虑了耦合振动的影响；2 0 0 3 年，张亮、袁兆成提出运 用流固耦合有限元法，对有润滑油存在的油底壳进行耦合模态计算【1 9 1 ，采用软件 s y s n o i s e 对4 1 1 8 z 型柴油机油底壳运用流固耦合有限元法，计算有润滑油存在的 油底壳振动模态，并得出结论润滑油的存在对模态频率和振型都有很大的影响， 应该在设计中考虑，但不足之处是此次试验采用单点锤击法，使得某些油底壳固 有频率尚未激发出来。 有限元分析方法应用在摩托车的研究和开发上，使技术人员不必再重复传统 设计，大大缩短研发周期，节省大量经费。江苏理工大学对金城j c l 0 0 型摩托 车进行了振动激振力突变的研究 2 0 1 ，南京理工大学开展了摩托车结构系统动态分 析研究【2 1 1 ，天津大学进行了b d l 2 5 型摩托车结构系统动态分析研究口2 】，中国摩 托车技术中心对车架动态特性进行试验研究【2 3 】，海南新大洲摩托车有限公司建立 了摩托车振动可视化测试分析系统【2 4 l ，不但实现了摩托车振动分析的三维动画显 示，而且实现了同国外公司的远程诊断合作。 第一章绪论 1 4 2 发动机及其装置薄壁结构的噪声优化技术的发展 谆壁结构的噪声优化分为结构噪声优化和阻尼减振技术以降低噪声辐射。 在发动机及其装置零部件特别是薄壁结构的低噪声研究方面，工业发达国家 较早地采用先进的计算分析方法( 包括有限元法和边界元法) 和试验方法设计研 究发动机及其装置的零部件 2 s h 3 ”。在发达国家如美、俄、德、英、法、日等国， 每年均投入大量的人力和物力进行有关低噪声设计方面的研究工作。如俄罗斯莫 斯科妇t y 国立技术大学、u h n u n 中央柴油机研究所、x a p k o b t 学院、美国的c o m i n s 公司、德国的m a h l e 公司等大学、研究所、发动机相关厂家都在从不同的角度研 究该问题，对发动机及其装置的零部件的试验、计算及理论研究很多，也做了大 量的零部件台架试验以及整机对比试验，研究结果的实用性很强。这是国外发动 机使用寿命高且还在不断提高的一个主要原因。 结构噪声优化是一项降低薄壁件辐射噪声极其经济有效的技术。1 9 9 2 年， 蒋维铭等提出从改变结构的途径入手来控制辐射噪声，比如改变系统的质量、刚 度与阻尼因素等方法，并通过对比试验表明阻尼控制法对降低油底壳辐射噪声有 明显效果；2 0 0 3 年，邓晓龙等提出对内燃机油底壳的加强板安装位置和长度进 行声学优化，结果证明可以大大较小噪声辐射【3 2 】。 阻尼处理技术也是针对薄壁件减振降噪的重要手段之一，阻尼减振技术是应 用高阻尼材料附着在结构件的表面，用其耗散结构件的振动能量，以达到减振的 目的。国内自六十年代起就开始从阻尼减振机理、阻尼材料及阻尼结构研制、应 用设计、推广应用等不同角度进行大量的研究工作，应用现代综合技术，对基本 结构( 梁、板、壳体) 的阻尼特性进行深入的研究和探索。2 0 0 0 年，王正兴等 提出为了选择合适的阻尼结构处理方案m 】以求得最佳、最经济适用的效果，应该 依据应变能理论，应用有限元法对板阻尼结构进行多种方案的优化计算，以求取 粘弹阻尼复合板的结构频率和阻尼系数，并验证此方法具有省时、省力、费用低 等优点；2 0 0 2 年，桂洪斌等对敷设粘弹性阻尼的加筋板的固有频率和模态损耗 因子进行了分析 3 4 】，考虑了在加筋板结构上加自由阻尼层和加粘弹性筋梁的两种 情况，分析了粘弹性阻尼材料模量、损耗因子、阻尼层厚度以及粘弹性梁剖面尺 寸的影响。 现代发动机及其装置的降噪研究已经进入多元化的时代，全方面，多层次， 跨领域的新技术应用已经成为降低发动机及其装置噪声的必然趋势。其中发动机 及其装置结构再设计的降噪方法是当前降噪领域的重点。而我国发动机及相关汽 车和摩托车工业长期以来产品更新周期长，科技开发资金投入少，尤其是产品型 号和生产线的引进，严重制约了我国发动机及装置的工业创造性的科技开发活 第一章绪论 动。对于发动机及其装置的噪声问题，无论是企业还是科研单位都认识到与国外 先进水平的差距，但是在我国以低噪声为目的的发动机及其装置设计开发工作几 乎是空白因此，加强这方面的研究十分必要。 由上可见，国内汽车噪声研究工作虽开展得比较早，但在近期才开始借助一 些先进的测试手段及c a d c a e 工具运用现代设计方法进行研究，利用软件进行 优化设计分析结果比较精确，从问题提出到解决时间较短，从而满足生产和市场 的需要，因此本文也将现代设计方法与软件相结合对发动机及其装置的薄壁件进 行优化设计。 目前，尽管有限元分析技术应用广泛且较为成熟，但在应用于发动机及其装 置零部件低噪声设计时，依然存在一些问题p 5 1 ，主要有： 采用特定类型的单元进行有限元分析时，网格的密度与计算精度之间没有可 供参考的量化关系；基于有限元法的结构优化分析是近年来c a d c 从( 计算机辅 助设计计算机辅助分析) 领域的一项重要研究课题，但由于有限元模型重构存 在一定困难，使得发动机零部件基于有限元法的优化分析目前基本上还局限于一 些简单结构或简化结构；近年来，有限元高精度理论【3 6 】取得了重大进展，但其工 程应用( 包括在发动机及其装置零部件有限元分析中的应用) 并不多见。研究高 精度理论在发动机及其装置复杂零部件有限元分析中的应用对提高分析效率和 分析结果的可信度具有重要意义。 因此，有限元技术在发动机及其装置零部件薄壁结构的低噪声优化设计研究 上的应用还需要不断发展和完善，在这方面开展一些工作是非常有必要的，特别 是在发动机及其装置薄壁结构的有限元研究方面，问题较多，难度也大，继续开 展一些工作相当有意义。 1 5 本文主要研究内容和意义 1 5 1 论文工作的意义 发动机及其装置的辐射噪声问题一直是动力机械设计中亟待解决的问题。薄 壁结构由于其刚度小、质量轻、面积大的特点，所以容易产生强烈振动且常辐射 噪声，另一方面也容易与相连部件发生共振带来部件损坏和危险。所以本文针对 发动机及其装置中的薄壁结构的噪声优化是非常必要的。近年来，有限元逐步应 用在发动机及其装置的研制工作中，并为发动机及其装置设计从以往的经验设计 转为理论设计提供良好的开端。本文旨在应用现代设计方法中的有限元技术进行 发动机及其装置的薄壁结构的振动和噪声研究。利用现代设计方法进行发动机及 第一章绪论 其装置的薄壁结构的优化设计的优越性在于：首先，通过对实际结构的计算机模 拟和计算，掌握其自振特性，从而在实际中避免共振，减小损失；其次，模态计 算结果为实际低噪声设计提供了理论的方法和依据；再者，建立一个发动机及其 装置的薄壁结构优化设计平台对未来发动机及其装置结构设计提供参考和支持。 1 5 2 论文主要研究内容 本文着眼于应用现代设计理论对发动机及其装置的薄壁结构进行优化设计 为实现这一目标，本文将分别针对柴油发动机、汽油发动机以及轻型摩托车车架 结构进行详细阐述。 本文运用有现代设计方法对摩托车( z s l 0 0 车架总成) 和发动机( y h 4 6 5 汽油 机、y n 4 1 0 0 q b 柴油机) 的薄壁结构进行分析研究。因为薄壁结构是动力机械中表 面辐射噪声的重要部件，所以本文建立了一个完整的薄壁结构低噪声优化设计平 台。本文依次在p r o e 、m s c p a t r a n 平台上建立了三种典型薄壁结构的三维几何 模型和有限元模型。 本文先以y n 4 1 0 0 q b 柴油机油底壳为例以单点激励多点响应的力锤激励法， 测得它们在自由状态下低阶固有模态频率。利用试验结果不仅可以验证有限元计 算结果的合理性，还可以对有限元模型进行修正，从而为之后的设计改进提供可 靠的依据。 利用m s c n a s 扛a n 进行有限元计算，根据模态分析结果，得出薄壁结构的振 动等特性以及结构的薄弱环节。在此基础上，按照结构优化法思想进行改进设计， 提出改进设计方案。最后，对改进后的薄壁结构重新建模分析，已达到减振设计 的目的。最后制作改进样机，进行物理样机实验，对比分析改进前后各项性能指 标，已最终检验改进方案。 为了证明本文建立的发动机及其装置的薄壁结构低噪声优化设计平台的适 用性及设计流程的可行性和可靠性，本文又利用有限元分析技术以y h 4 6 5 汽油机 油底壳为例进行低噪声优化设计，再以噪声测试试验检验设计方案。计算及试验 结果证明该发动机及其装置的薄壁结构低噪声优化设计平台对发动机设计具有 普遍性。为了证明发动机及其装置的薄壁结构低噪声优化设计平台对发动机及其 装置中除发动机外的薄壁结构的适用性，本文又以z s l 0 0 摩托车车架总成为例来 进行摩托车车架总成的低噪声结构优化设计，最后用样车加速试验检验改进方 案。 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 2 1 引言 第二章有限元理论基础和软硬件环境 在发动机及其装置现代设计方法中，为了有效地控制结构的振动、噪声，广 泛地采用有限元分析法计算发动机结构振动的固有频率、固有振型和动态响应。 有限元是兴起于6 0 年代初期的- - f - 新的数值计算方法，如今有限元法已成为工 程分析中最强有力其最通用的计算方法。它应用范围广，不仅使过去无法进行运 算的课题获得数值解，而且替代了某些成本高，时间长的常规试验。 2 2 有限元分析法的基本概念 有限元分析法是一种适用性很广的数值分析方法，它可以使复杂工程获得近 似解，而且适用面广。从数学角度上讲，它是将一个偏微分方程化为一个代数方 程组，利用计算机求解的方法。有限元法的基本思想是把一个连续体认为地分割 成有限个单元，即把一个复杂结构看成由若干通过节点相连的单元组成的整体， 先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构。有限元分析法的 分析过程可概括为如下几个步骤 3 r l ： 1 、问题及求解域定义 根据实际问题近似求解域的物理性质和几何区域。 2 、连续体离散化 连续体离散化又称为有限元网格划分，即将连续体划分为有限个具有规则形 状的微小块体，每个微小块体成为单元，两个相邻单元间只通过若干点连续体是 指所分析的工程系统( 物体或结构) ，离散化是将拟分析的连续体分割成由有限 个单元组成的有限元模型。 3 、确定单元的性质 所谓确定单元的性质就是对单元的力学性质进行描述。一般用单元的刚度矩 阵( 或柔度矩阵) 来描述单元的性质，确立单元节点力与位移的关系。 4 、组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总 刚度矩阵( 或总柔度矩阵) ，从而建立起整个物体已知量一总节点荷载与整个物体 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 的未知量总节点位移或应力的关系 5 、解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个、甚至于 成百上千万个，对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数。 6 、进一步计算 在求得整个结构物的未知量后，可进一步求得单元的未知量。 由上面的过程还可以看出，用有限元法解决问题工作量很大，不借助于电子 计算机的帮助，有限元法的广泛应用是相当困难的。 2 , 3 有限元分析的基础理论 2 3 1 基本未知量和基本方程的矩阵表示 在有限元法中，为了简洁、清晰地表示各个基本量以及他们之间的关系，也 为了便于应用计算机进行实际计算，广泛采用矩阵表示和矩阵运算。 在平面问题中，物体所受的体积力可用列阵表示为 叫斗k 、 氏】r ( 2 - 1 ) 式中上标t 表示矩阵转置。 同样，物体所受的表面力可用矩阵表示为 伽。 = kps,jr(2-2) 一点的位移可用列阵表示为 扩) = kv r ( 2 3 ) 一点的应变分量可用列阵表示为 = k 勺岛】r ( 2 4 ) 一点的应力分量可用列阵表示为 p = kq 】r ( 2 5 ) s b j l 何方程，式( 2 - 4 ) 所表示的应变分量可以写成 阱罡参考+ 酊 e ， 弹性力学中，平面问题可划分为平面应力问题和平面应变问题。对于弹性 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 力学的平面应力问题， f o x 1 e 位- 一1 - z z l 1 o o嘲 z ， 式中e 、1 1 分别为弹性模量和泊松比上式可简写为 p = 嘲斟 其中 【d 】= 1 1 oo o o 1 一 2 ( 2 - 8 ) 称为平面应力闯题的弹性矩阵。对于平面应变问题，物理方程也可以用式( 2 - 8 ) 表示，但需将式( 2 - 9 ) 所示的弹性矩阵 。 中的e 换成i ，卢换为南 2 3 2 单元分析 以下对平面应力问题中的三角形单元进行分析，建立单元的刚度矩阵。 1 结点位移 图2 1 所示弹性体用三角形单元进行离散以后，取任一单元进行分析，其节 点i , j ，m 按逆时针方向排列。每个节点位移在单元平面内有两个分量： 磊 = k ，m r o ，研) ( 2 1 0 ) 式中“，、b 为节点沿x 轴和y 轴方向的位移分量。记号表示其他节点的位移可以 按下标i , j ，册轮换得到。 一个三角形单元有3 个结点，共有6 个结点位移分量，它们可用列阵表示为 坩= 防霹别= k ，v ，“，叶t l r , , v ，r ( 2 n ) 2 位移模式 假设单元体中任意一点的位移分量是x ，y 的函数。选择最简单的线性函数作 为位移模式，即 甜= 口l + 盯2 x + t z 3 yv = 口- i - t z s x + a t , y ( 2 - 1 2 ) 式中q ，口2 ，“，为待定常数，可以由单元的结点位移确定。 设结点毛工辨的坐标分别为如，乃) 、( _ ，乃) “，) ，结点位移为 0 ，h ) 、( “j ，v j ) 、( 甜，v 。) 将它们代入式( 2 一1 2 ) ，有 联立求解上述公式左边的3 个方程，可以求出待定系数码，口：，为 嘶= 击匿主妻l 啦= 寺 曼曼1 = 击 主曼i c z t 4 ， 哇i 蚓 旧 为使求得面积的值为正值，结点工朋的次序必须是逆时针转向，至于将哪个 甜= 击k + 以x + q 力“，+ + 6 x + 勺) ，) q + ( + + c 。咖，j ( 2 - 1 6 a ) v = 击k q + 眈x + q 力h + ( 吩+ 以x + c ，力巧+ ( 口，+ k 工+ 力】 ( 2 1 6 b ) 如令 a 1 2 x i y _ x m y j b l = y j + y m( i ，j ，m ) ( 2 - 1 ) c i 2 一x i + x ” 川= 击( q + 屯工+ q y ) 町，研) 则位移模式( 2 1 0 ) 可以简写为 ( 2 1 8 ) 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 = n 芦| + n hj + n 一。v = n i + n i + n 一。( 2 - 1 9 ) 式中j ，。是坐标的函数，反映了单元的位移形态，因而称为位移函数的形 函数，其形式将在下面进一步讨论。 由式( 2 - 1 9 ) 和( 2 3 ) ，单元中一点的位移可用结点位移表示为下列矩阵形 式 力= m 艿 ( 2 - 2 0 ) 式中【】称为单元形函数矩阵，其维数为2 x6 ，进一步可写为分块形式 【】= m ，j ( 2 2 1 ) 其中子矩阵 阶瞄是 叫 浯z 2 ， 式中，为2 阶单位矩阵。 根据形函数的定义式( 2 1 8 ) ，容易证明形函数具有以下性质： 形函数在结点上的值等于l ，在其他结点上的值等于0 ，即 n t b t ，y 0 = 1n l ( x j ，yj 1 = 0n l q 。，y 0 = 0 对于i v , ， r 册也有同样的表达式。 在单元中任一点，三个形函数之和等于1 ，即 m ( 五力+ 。( z ，力+ 。( x ，) ，) = 1 在三角形单元边界扩上一点似y ) ，有形函数公式 m ( 五力= l 一三二l ，力：! 二生虬以力= 0 x ，一x ， 。 x i x 形函数t 在单元上的面积分和边界扩上的线积分公式为 l l n l 的= j al 邺= 净( 2 - 2 3 ) 式中扩为边扩的长度。 3 单元应变和应力 有了单元的位移模式，就可以应用几何方程求得单元的应变。将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 - 6 ) ，得到应变和结点位移的关系式 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 * 隆 0 b j 0k0 q 加c j m ) 气 b tc j b jc _ b _ ( 2 - 2 4 ) g ) = 弘】 j r ( 2 - 2 5 ) 式中 b i 为单元应变矩阵( 又称为几何矩阵) ，其维数为3 6 。它可以写成分块形 【b 】【b j 毋以】 吲= 剁瓴加， z e ， a , b i ，q ，b j ，c j ，k ，c ，与x ，) ，无关，都是常量，因此p 】矩阵也是常量。单元中任一 点的应变分量是陋】矩阵与结点位移的乘积，因而也都是常量。因此，这种单元 田= 【d 】陋】( 田 ( 2 2 7 ) 这就是应力与结点位移的关系式。其中【明称为单元应力矩阵，并且 因为【d 】是3 3 矩阵，【明是3 6 矩阵，因此【旬也是3 x 6 矩阵。它可写为分块形 吲= b s js 。j ( 2 3 0 ) 蚱坼aa 第二章薄壁结构优化设计的有限元理论基础和软硬件环境 抑卜志巨b 1 莘岛卜埘， i 下q 下qi 对于平面应交问题，只要将上式中的e 换成百考万，换成r ，就得到应力 b 】= 而g 而o - “) b l l b l 1 一 业a 2 ( 1 一) j l a 1 一 q 旦6 。 2 ( 1 一) ( f ，工呐 ( 2 3 2 ) 由于三角形单元中的【d 】、陋】矩阵都是常数矩阵，所以阵】矩阵也是常数矩 阵。也就是说，三角形单元内的应力分量也是常量。当然，相邻单元的e 、l i 、a 和b 。、c 。( i ，j ，m ) 一般是不完全相同的，故它们将具有不同的应力，这就造成在相 邻单元的公共边上存在着应力突变现象。但是随着网格的细分，这种突变将会迅 速减小，有限元法的解答将收敛于正确解答。 4 单元刚度矩阵 设三角形单元结点力向量为f f ) ”，则 f ) “可写成 扩 = k 7f 碟r = u ik 巧玑】r ( 2 3 3 ) 由虚位移原理得 ) 。7 ，) ) = f ff ) a t d x d y ( 2 - 3 4 ) 式中，“宰”表示虚设状态，t 为厚度。上式可改写成 ) 。7 f ) 。=