（动力机械及工程专业论文）单缸柴油机机械噪声预测与测量.pdf

睁 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垩丕i 氲 日期：理：兰：兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 墅垒逸导师签名： 目录 目录 摘要v a b s t r a c t v i 第一章绪论1 1 1 目的和意义1 1 2 内燃机结构噪声机理2 1 3 国内外内燃机噪声控制进展3 1 3 1 内燃机噪声控制进展一3 1 3 2 内燃机噪声预测现状5 1 4 噪声预测技术路线及本文主要任务7 第二章内燃机噪声测试l o 2 1 测试任务和目的1 0 2 2 测试设备与振动噪声测试原理1 0 2 2 1 数字信号处理系统1 1 2 2 2 振动信号的数字处理1 2 2 3 试验内容1 3 2 4 试验结果分析1 3 2 5 本章小结2 2 第三章内燃机动载荷计算2 3 3 1 活塞侧击力2 3 3 1 1 活塞运动学和刚体动力学分析2 4 3 1 2 活塞侧击力计算2 5 3 2 主轴承载荷3 0 3 2 1 曲柄连杆机构的刚体动力学分析3 0 3 2 2 曲柄连杆机构柔性动力学分析3 1 3 2 3 主轴承载荷计算3 1 3 3 气门落座力3 6 山东大学硕上学位论文 3 3 1 配气机构运动学模型3 6 3 3 2 配气机构动力学模型3 7 3 3 3 气门落座力计算3 8 3 4 缸盖底部气缸压力4 2 3 5 本章小结4 3 第四章内燃机噪声辐射部件的动力响应分析4 4 4 1 有限元振动模态分析理论4 4 4 2 整机模态分析4 6 4 2 1 噪声辐射件模态分析4 7 4 2 2 轴系模态分析5 0 4 3 整机动力响应分析5 3 4 3 1 正常工作时动力响应分析5 3 4 3 2 反拖时动力响应分析5 6 4 4 本章小结5 9 第五章内燃机辐射噪声预测。6 0 5 1 边界元法声学分析原理6 0 5 2 辐射噪声分析6 2 5 3 本章小结7 1 第六章零部件声学结构优化。7 2 6 1 油底壳结构优化7 2 6 2 本章小结8 0 第七章总结8 1 参考文献。8 3 u 目录 c o n t e n t s c h i n e s ea b a s t r a c t 。v e n g l i s ha b s t r a c t v i c h a p t e rlp r o l e g o m e n o n 1 1 1p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fs t u d y 。1 1 2i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n es t r u c t u r en o i s em e c h a n i s m 2 1 3d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u sa b o u ti n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n en o i s ec o n t r 0 1 3 1 3 1n o i s ec o n t r o ld e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u s 3 1 3 2n o i s ep r e d i c t i o nd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u s 1 4t e c h n i q u er o u t i n eo fn o i s ep r e d i c t i o na n dc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n 7 c h a p t e r2i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n en o i s et e s t 1 0 2 1t e s tc o n t e n t sa n dt a r g e t 1 0 2 2t e s te q u i p m e n ta n dt e s tp r i n c i l p a lo fv i b r a t i o na n dn o i s e 1 0 2 2 1d i g i t a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m 1 1 2 2 2d i g i t a lp r o c e s s i n go fs i g n a lv i b r a t i o n 1 2 2 3t e s tc o n t e n t s ：13 2 4t e s tr e s u l t sa n a l y s i s 1 3 ：! 5c h a p t e rs u m m a r y 2 2 c h a p t e r3i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ed y n a m i cl o a d s c a l c u l a t i o n 2 3 3 1p i s t o ni m p a c tf o r c e 2 3 ：；1 1p i s t o nk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c a n a l y s i s 2 4 j ；1 2p i s t o ni m p a c tf o r c ec a l c u l a t i o n 2 5 3 2m a i nb e a r i n gl o a d s ! l ( 3 2 1r i g i db o d yd y n a m i ca n a l y s i so fc r a n k - l i n km e c h a n i s 3 0 3 2 2d e f o r m a b l eb o d ya n a l y s i so fc r a n k - l i n km e c h a n i s 31 3 2 3c a l c u l a t i o no fm a i nb e a r i n gl o a d s 31 ： 3v a l v es e a tf o r o e ：1 6 i i i 山东大学硕士学位论文 3 3 1k i n e m a t i c sm o d a lo f v a l v et i m i n gm e c h a n i s m 3 6 3 3 2d y n a m i cm o d a lo fv a l v et i m i n gm e c h a n i s m 3 7 3 3 3c a l c u l a t i o no f v a l v es e a tf o r c e 3 8 3 4p r e s s u r ea c t i n go nt h eb o t t o mo fc y l i n d e rh e a d 4 2 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 3 c h a p t e r4d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n en o i s er a d i a t i o np a r t s 。4 4 4 1v i b r a t i o nm o d a la n a l y s i st h e o r y 4 4 4 2m o d a la n a l y s i so f p o w e r u n i t 4 6 4 2 1m o d a la n a l y s i so fn o i s er a d i a t i o np a r t s 4 7 4 2 2m o d a la n a l y s i so fs h a f t i n g 5 0 4 3d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fp o w e r u n i t 5 3 4 3 1d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 5 3 4 3 2d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 5 6 4 4c h a p t e rs u m m a r y 5 9 c h a p t e r5i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n er a d i a t l o nn o i s e p r e d l c t i o n 。6 0 5 一b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o da c o u s t i ca n a l y s i sp r i n c i p l e 6 0 5 2r a d i t i o nn o i s ea n a l y s i s 6 2 5 3c h a p t e rs u m m a r 7 l c h a p t e r6a c o u s t i cs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 7 2 6 1a c o u s t i cs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no fo i l p a n 7 2 6 2c h a p t e rs u m m a r y 8 0 c h a p t e r7c o n c l u s i o n s 8 1 r e f e r e n c e s 8 3 i v 摘要 摘要 内燃机结构噪声控制是现代内燃机设计的一个重要因素，结构噪声预测 与优化工作是否能贯穿整个设计过程，对确保内燃机产品符合日益严格的噪 声要求意义重大，甚至直接关系着整机开发的成败。内燃机结构噪声状况是 产品竞争力的一个重要指标。 本文以t c l l 8 d 柴油机为研究对象，通过实验以及虚拟设计等手段对柴 油机噪声控制技术及声辐射预测进行了一系列研究，主要包括两方面工作： 一是考察柴油机在正常工作和电机反拖时，机体表面振动和外声场分布情 况；二是柴油机声辐射预测的研究，包括多体动力学的载荷计算，基于组合 体的动力响应分析以及边界元声辐射预测等。 1 、内燃机噪声试验研究，分别测量内燃机正常工作和电机反拖时机体 表面测点的振动速度和内燃机外空间场点一米包络面上的声强，分析各零部 件噪声辐射贡献，并为噪声预测结果提供对比与参照。 2 、研究内燃机结构噪声预测的方法及技术路线。具体工作如下：首先 建立内燃机整机( 包括机体组、缸盖和轴系) 三维实体模型；其次在不影响 模态的前提下，对三维模型进行的局部特征简化处理，划分有限元网格。在 各零部件的结合面采用点对点接触，并通过有限元求解器a b a q u s 进行模 态分析，得到整机的各阶自振频率及振型，为以后的整机动态响应和声学结 构优化奠定基础；接着通过各种简化模型，使用轴系及配气机构动力学计算 获得噪声激振力( 本文主要考虑了活塞侧击力、主轴承作用力、进排气门落 座力、缸盖底部气缸压力等) ；再加入整机的边界和载荷条件，运行有限元 进行动态响应求解，得到内燃机整机表面振动情况；然后建立内燃机表面封 闭边界元模型，利用几何插值提取表面振动响应作为内燃机整机边界元模型 边界条件，通过声学分析计算得到试验测点的声强结果，与实验结果对比辐 射噪声各频率下声强级云图的分布情况；最后根据噪声预测和测试结果对辐 射噪声较大部件( 本文主要针对油底壳) ，进行结构声学优化，为整机结构 辐射噪声的优化控制提供指导方向。 关键词：反拖结构噪声振动噪声预测声学结构优化 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o lo fs t r u c t u r en o i s eh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do f i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n ed e s i g n i n g i ti ss i g n i f i c a n tt h a tt h ep r e d i c t i o na n d o p t i m i z a t i o na r ec a r r i e do u tt h r o u g ht h ed e s i g n i n gp r o c e s st os a t i s f yt h em o r e a n dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n t so fe n g i n en o i s e ，e v e na f f e c t i n gt h es u r v i v a l o f e n g i n ei nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n b e c a u s et h er a d i a n ts o u n d l e v e li so n eo fm o s t c o n c e r n e dt a r g e t so fae n g i n e b a s e do nt c118 dd i e s e le n g i n e ，t h er e s e a r c hc o n t a i n st e s tm e a s u r e m e n t a n dd i e s e le n g i n es t r u c t u r a ln o i s ep r e d i c t i o nb yf e ma n db e m t h ep u r p o s eo f t e s ti st oo b t a i nt h es u r f a c ev i b r a t i o na n dr a d i a t i o ns o u n di n t e n s i t yd u r i n gb o t h e n g i n ew o r k i n ga n di tb e i n gd r i v e nb ye l e c t r i c a lm a c h i n e t h en o i s ep r e d i c t i o n t a s ki n c l u d e sl o a d sc a l c u l a t i o na n dr e s p o n s ea n a l y s i su s i n gm u l t i b o d y ，a n d p r e d i c t i o no fs o u n dr a d i a t i o nb a s e do nb e m 1 f i xt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ta n dm e a s u r et h eb l o c ks u r f a c ev i b r a t i o n v e l o c i t ya n ds o u n di n t e n s i t yo fs u r f a c e so u to ft h ee n g i n e s t u d yt h ec o n t r i b u t i o n o fe n g i n ep a r t sa n dc o m p a r ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s 2 r e s e a r c ht h em e t h o da n dt e c h n i q u er o u t i n eo fn o i s ep r e d i c t i o n i nd e t a i l ， t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ：f i r s t ，e s t a b l i s ht h e 3 - de n t i t ym o d e l sa n ds i m p l i f y s o m et i n yf e a t u r e sw i t h o u ti n f l u e n c i n gt h em o d a la n a l y s i s ，i no r d e rt og e tb e t t e r f i n i t ee l e m e n tm o d e l s s e tu pp o i n tt op o i n tc o n t a c ti n t e r f a c eb e t w e e na n yt w oo f p a r t s r u naf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i su s i n ga b a q u st or e c e i v et h en a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，w h i c hi sf o rt h es t r u c t u r er e s p o n s ea n a l y s i sa n d n o i s eo p t i m i z a t i o n t h e n ，g e tt h ee x c i t i n gf o r c es o u r c eb ym e a n so fs i m p l i f i e d s i m u l a t i o nm o d a l sw h i c ha r ep r o v i d e d b y a v l 一g l i d e e x c i t e t y c o n t h e s en e e d e df o r c e si n c l u d ep i s t o ni m p a c tf o r c e ，b e a r i n gl o a d s ，s e a tf o r c eo f i n t a k ea n de x h a u s tv a l v ea n dp r e s s u r ea c t i n go nt h eb o t t o mo ft h ec y l i n d e rh e a d a d d i n gt h eb o u n d a r y , c a r r yo u tad y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n dg e tt h ew h o l e s u r f a c ev i b r a t i o nr e s u l t sb yn a s t r a n b u i l dt h eb o u n d a r ye l e m e n tm o d e lo f t c118 dd i e s e l a c c o m p l i s hf e m b e md a t at r a n s f e rb yu s eo fg e o m e t r y v i 摘要 皇e 皇i _ q i i , 一 i 。 i n t e r p o l a t i o nm e t h o d a c h i e v er a d i a t i o na c o u s t i ci n t e n s i t ys p e c t r u mo fs p a c e p o i n t sa td if f e r e n tf r e q u e n c y c o m p a r et h er e s u l t so f s i m u l a t i o nw i t ht h eo n e so f t e s t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne x a c t i n gf r o mt h er e s e a r c h ，m o d i f y t h es t r u c t u r eo fp a r t sw h i c hm a k em o r en o i s ea n dp r o v i d eaw a yf o rs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n dn o i s ec o n t r o lo ft h ew h o l ee n g i n e k e yw o r d s ：d r i v e nb ye l e c t r i c a lm a c h i n e ，s t r u c t u r en o i s e ，v i b r a t i o n ，n o i s e p r e d i c t i o n ，s t r u c t u r es o u n do p t i m i z a t i o n v u 第一章绪论 第一章绪论 内燃机作为人类社会最重要的动力装置，以其热效率高、重量轻的优点， 被广泛应用于船舶、汽车、拖拉机、工程机械和机车等工农业领域。内燃机 给人类带来极大方便的同时，它的辐射噪声也对社会造成了一系列危害。 1 1 目的和意义 现代社会中噪声是污染环境、降低工作效率和危害人体健康的一个重要 因素，它的危害大、影响面广、引发社会问题较多。 近年来，噪声污染被给予了很大重视，噪声污染主要包括车辆、船舶噪 声对周围环境以及对交通工具内司机和乘员的影响。内燃机朝着高速、轻型、 大功率方向发展，它的振动噪声问题将更加严重，同时人们对振动和噪声控 制的要求，却越来越严格。这就促使内燃机的振动噪声问题得到更为强烈的 关注。汽车及摩托车的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 性能是其重要 衡量指标；柴油发电机组等噪声控制的要求也日益迫切。内燃机作为汽车、 摩托车及船舶、柴油发电机组等的主要噪声源，其研究重要性不言而喻。 目前为保护人类自身生存环境，国外非常重视关于降低内燃机噪声的研 究，制定了严厉的噪声法规，对内燃机降噪减振研究日趋活跃。而我国从 1 9 7 9 年开始控制机动车噪声，并制定相关的标准( g b l 4 9 5 7 9 、g b l 4 9 6 7 9 ) ， 以后定期修订噪声标准，使得噪声控制的要求变得越来越突出。但与工业发 达国家噪声性能指标相比，仍存在一定的差距1 1 - 3 1 。 随着计算机技术的不断发展、现代设计和分析手段的日益完备，开发以 及组合使用各种内燃机综合性能的c a d c a e 以及c f d 软件，以加强内燃 机振动噪声分析、流动计算、燃烧分析、零部件甚至总成设计，使得内燃机 的设计不仅要满足低成本、高效率以及设计个性化的要求，同时还要满足严 格的能源和环保法规。在设计阶段了解和掌握内燃机噪声辐射水平，基于仿 真模型进行整机声学优化，对确保内燃机产品满足日益严格的噪声要求，提 高其产品的竞争力，具有十分重要的意义1 4 1 。 内燃机振动一方面造成自身零部件间的剧烈冲击，损坏内燃机构件、恶 化内燃机性能；另一方面其振动直接向外发出噪声或者将激振力、力矩传递 山东大学硕士学位论文 给机体，从而导致其振动并产生出很大噪声，影响大众工作生活，甚至危害 了人们的身体健康。随着工业和交通的发展，在性能要求方面内燃机的功率 不断增大，转速不断提高；同时轻量化要求的提高，各类合金新型材料的应 用，又使振动和噪声问题更为严重。因此，预测和降低内燃机结构噪声现实 意义变得更加突出。 1 2 内燃机结构噪声机理 内燃机是存在多个声源的复杂机器，它是一间歇性完成工作循环的动力 机，这就决定了其工作的周期性特点。这种周期性包括空气工质运动的周期 性以及作用力的周期性，造成了气动以及机械部件的振动激励。而空气的运 动以及部件的振动都是内燃机噪声产生的根源。内燃机产生的噪声按其辐射 方式可分为直接向大气辐射和由于内燃机部件的各种振动，最终通过内燃机 的外表面向外辐射两类，即空气动力噪声和结构噪声1 5 i 。 图1 1 内燃机噪声按辐射方式分类 内燃机空气动力噪声主要包括进气、排气和风扇噪声；而结构噪声是由 燃烧、机械、液体动力激振内燃机结构引起结构振动而辐射的噪声，又称为 表而辐射噪声，主要包括燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声是由于内燃机气缸 中瞬间剧烈燃烧而形成的，是在滞燃期内，喷入燃烧室中的燃油在燃烧条件 成熟时首先在燃烧室内若干点处着火，着火点处的局部压力急剧升高，火焰 向邻近区域传播，在火焰传播的同时，也传播着具有冲击性质的压力波。这 种冲击波遇到燃烧室壁时便进行反射，冲击波在气缸内的多次来回反射，就 2 第一章绪论 形成气体的高频振荡，这种压力波的高频振荡在膨胀行程中要保持相当的时 间，会辐射出高频噪声。内燃机在运转时，由于力作用的周期性特点和间隙 的存在，将产生整体以及内部部件的各类机械撞击和振动，通过部件的传递， 最终形成内燃机表面整体或部件的振动而扰动周围空气发出噪声，间接地向 大气辐射，这种噪声是由机械撞击和振动而形成的1 6 。7 1 。 在内燃机的噪声控制中，空气动力噪声控制可以通过设计良好的进排气 系统和消声器来实现。而结构噪声由于噪声源较多、噪声源的频率差别大、 振动传递路径较多、内燃机的结构复杂等原因，其控制比较困难。因此，在 现代内燃机中，结构振动辐射噪声控制研究成为关注的重点。 内燃机结构振动辐射噪声的产生需要三个因素，即激励产生、振动传播 和噪声辐射。第一是结构受力，包括缸内压力对气缸盖、缸套和活塞的作用， 气门落座对气门座圈的冲击，各连接副间变化的载荷等；第二是振动传递， 大部分激励具有脉冲性，激励产生的振动通过气缸盖和缸套向外传播或通过 活塞、活塞销、连杆、曲轴、轴承座传给机体曲轴箱和油底壳；第三是由机 体的表面振动引起空气辐射噪声l s - i o i 。 内燃机机械噪声控制，可从上面三个因素着手，一是减小振动和噪声激 励包括改善燃烧特性，减小活塞与缸套间隙，减小运动件的质量等；措施二 是合理设计结构，采用合理的刚度分布，各零部件合适的振动模态，采用隔 振措施等，以减小振动响应和振动传播；三是采用阻尼隔声等措施来减小噪 声辐射。其中油底壳，缸体，缸盖是主要的辐射表面。 1 3 国内外内燃机噪声控制进展 1 3 1 内燃机噪声控制进展 根据噪声控制技术的发展过程，将控制内燃机噪声的技术研究大致分为 5 个阶段1 1 1 i ： 第1 阶段：从2 0 世纪5 0 年代到2 0 世纪6 0 年代中期，主要对产生内燃 机噪声的机理进行分析和试验研究，即声源探究。 第2 阶段：从2 0 世纪6 0 年代末开始至7 0 年代末，各国纷纷出台噪声标 山东大学硕二仁学位论文 准，技术手段上主要表现为对当时现有产品的达标，以屏蔽技术为主要特征， 并对内燃机的传统结构作了较大改变。 第3 阶段：从2 0 世纪8 0 年代起，研究学者采用现代分析技术研究内燃 机振动和噪声问题，这一时期是以新机型设计的结构优化技术为特征。 出于快速、大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究中的应用， 加上实验技术和测量仪器以及测试设备的改进，使内燃机在实验和理论研究 上有了一个较大的发展。通过试验研究内燃机结构在燃烧和机械激振力作用 下的振动规律，研究振动传递函数与噪声的关系，并且采用现代设计理论和 方法设计新一代的低噪声内燃机，使在内燃机的设计阶段就能预测出噪声强 度，以确定最合理的噪声、振动水平和结构强度的设计方案。 第4 阶段是以1 9 9 5 年欧盟现行标准的实施前后为标志，这一时期学者 们提出了新概念设计的观念以及车辆声音主观评价的技术方向。当采用吸 声、隔声、消声、隔振和阻尼减振等传统方法设计开发新型内燃机时，在可 行的生产率和成本之内，使内燃机在标定转速和负荷下的1 米噪声级达到 9 5 9 8 d b ( a ) 。而要想使内燃机在标定工况下的噪声降低到9 3 d b ( a ) ，就必须 考虑采用非传统的新型内燃机构思。同时新型低噪声内燃机还必须满足输出 功率、扭矩特性、燃油消耗率、生产成本以及排放法规等关键性能指标的要 求。基于内燃机新技术的设计概念，要满足未来更严格的噪声法规限值目标 必须采用屏蔽措施。 f e v 、a v l 、r i c a r d o 、n i s s a n 等公司都分别做了大量试验方面的研究， 而且模拟分析技术也是一个重要而且非常活跃的手段，其中采用有限元和边 界元相结合方法进行内燃机噪声模拟分析方面己经取得了众多的研究成果。 第五个阶段：以未来轿车7 1 分贝的限值为推动，开发并采用最新技术进 行“低能耗”、“低排放、“低噪声”这3 个目标的内燃机优化技术，同时就 车辆整体而言，进行内燃机与车辆相接合的整体优化技术已成为发展的必然 趋势。 为了满足内燃机高性能、低排放的需要，各种新技术的使用，内燃机的 爆发压力急剧升高，极大提高了内燃机所承受的机械负荷；加之热效率的提 高使得热负荷也迅速攀升。同时为了降低车辆的行驶油耗，轻型材料大量使 用以减轻车辆重量。因而与以前相比，内燃机的强化程度越来越高，功率密 4 第一章绪论 度越来越大，反而相对降低了内燃机的强度和刚度，进而给内燃机降噪带来 了更大挑战。 为了满足噪声标准的要求，内燃机降噪研究中必须在多方面采取最新技 术1 1 2 1 ： ( 1 ) 采用高压共轨和电控系统，降低燃烧激励力。 ( 2 ) 采用活塞销偏置、多气门系统以及可变进气门定时装置等新技术，降 低机械激励。 ( 3 ) 有目的地产生二次声或振动信号，进而控制原有源噪声或振动。 ( 4 ) 车辆与内燃机组合优化技术。 随着内燃机的高速、轻型、大功率化，其振动噪声问题日益突出，改善 现有内燃机振动声学特性对噪声控制的应用前景是有限的。批量生产的内燃 机采用改变结构或者屏蔽等措施，在经济上往往不合算，降噪措施也往往受 到制造工艺、生产成本等各方面限制。 内燃机结构再设计的降噪方法，即通过修改结构动态参数来降低内燃机 噪声的方法是当前降噪领域的重点。而我国内燃机业长期受产品型号、生产 线的引进及受科技开发资金少的影响，科技创新工作受到严重制约。在我国 内燃机工业中，以低噪声为目的的内燃机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l ”i 。 1 3 2 内燃机噪声预测现状 从2 0 世纪9 0 年代开始结构噪声控制的研究深入到噪声优化控制阶段。对 低噪声内燃机进行了长期深入的研究，总结出了低振动和低噪声内燃机的设 计原则和方法。提出了噪声最小化的基本原则，包括噪声源的识别、结构响 应优化、内燃机表面辐射噪声优化控制三个部分。分析了低噪声内燃机设计， 包括减小燃烧和机械噪声激励，改善噪声的传递特性和结构的噪声辐射特性 等。可以采取以下措施：增大结构刚度以降低振动的幅值，改变刚度以避开 激励的频率，改变振动的传递路径分配，对盖罩和歧管进行良好的隔振，对 内燃机机体曲轴组件进行有限元优化，采用夹层油底壳等。并分析了一些非 传统的方法，如增大承载结构的联接阻尼，将外壳与承载的内部结构进行振 山东大学硕上学位论文 动解耦，以减小外壳的振动及噪声辐射等，以及用表面响应技术对内燃机的 结构进行噪声优化控制1 1 4 - 1 5 1 。 结构噪声优化控制的基础是结构噪声预测。经过长时间深入研究，得到 了集总参数发、边界元和r a y l e i g h 积分法、有限元和边界元以及能量有限元 等来进行噪声预测。依靠噪声预测技术进行结构修改，也取得了较好降噪效 果。在噪声优化控制方面，也逐渐开始了一些研究，主要进行的是简单结构 噪声优化控制。 噪声最优化设计是我们要达到的目标，但要达到这一目标实际上非常困 难。内燃机其结构复杂，运动部件众多，运动方式不一，工况多变，噪声源 分析困难。即使只作用一个最简单的简谐运动的激励，要对某些参数进行优 化也是困难的。重要原因在于模型重构的困难和复杂结构的噪声预测要花费 较多的时间。其中包括有限元模型的构建、振动响应的求解、噪声求解都需 要较长的时间，而优化问题往往需要求解很多次目标函数，也就是说要进行 很多次的噪声预测这样整个噪声优化控制非常耗费时间d 6 1 。 目前开展噪声预测和优化主要存在以下困难：缺乏高速、精确的噪声预 测方法，需要在理论上开展研究。需要研究复杂结构的有限元模型、边界元 模型的重构方法。以结构噪声为目标函数，这种非常不规则的有局部极小值 的目标函数，不能用梯度方法来解决。 噪声预测作为降噪的一个重要方面，目前国内外流行的噪声预测方法 有：神经网络法、统计能量法、解析法、数值分析法等。随着计算机技术的 不断发展，各种研究噪声的数值方法也有了新的进展，其中上述有限元法与 边界元法得到了较快的发展与应用，用有限元和边界元方法已成为研究复杂 结构在外力作用下的声辐射特性和声一振耦合极为有力的工具，国内外许多 学者都致力于将边界元用于解决声学及噪声控制方面的实际问题。 很多研究都是首先通过噪声预测确定主要噪声源，然后针对某个单一零 件进行结构改进，也有少数人对整机进行了噪声预测，但对模型和载荷的简 化太多，从而很难得到满意的结果；国外对整机的噪声预测处于不断的完善 阶段，但也存在模型和载荷的简化问题。从振动噪声控制技术的发展趋势可 以看出，只有从设计的初始阶段就考虑振动和噪声问题，才能得到令人满意 的结果，在整个设计过程中考虑振动和噪声特性的分析与优化控制，才是发 6 第一章绪论 展的方向| 1 7 - 1 9 。 1 4 噪声预测技术路线及本文主要任务 模态分析有限元模型结构响应边界元模型声学结果 激励l 声学边界元 几何模型 整机有限元 h 几何模型 有限元计算 j 娃物桶豢曲商 i空间场点 声学结果 及噪声预测 材料属性l 模态计算k j 流体属性l 。!i + 改甘缸惧硒大、 惨政也霁元壤掣人人謦改育痞别复审 边界条件l l 岁 匕叫 ：f “粜对b j l v 实验测量 校态实验 窗 1描士舟瞌鹣1 壮协呐盘涮：+ b 匕蝴 7 l 4 ll “lj 、自m t 施荆i 4 “捌、目，d 图1 2 噪声预测技术路线 噪声预测中的几个重点和难点： l 、求取振动激励 对于内燃机所受的各利，激励力，燃气压力、往复惯性力、旋转惯性力、 活塞侧击力、气门落座力等都可通过设计参数求出来。但由于简化或经验公 式不能很好的反应内燃机工作循环内载荷脉冲性以及零部件离散刚度的特 点，所以有限元是一个很好的获得分布和脉冲载荷的手段0 2 们。同时噪声预测 问题的精度也得到很大提高。 2 、确定边界条件 作为建模中一个难以准确描述的因素，边界条件的好坏直接决定了最终 噪声计算模型的精度，甚至是准确性。根据计算精度的要求以及影响因子的 大小确定边界的类型和定义方式是建模的前提。 3 、获得传递函数 噪声预测模型都是通过各种连接将部件加以组合的，各部件间的连接方 式和传递特性是导致预测模型准确性的另一个重要影响因素。在实际的内燃 7 山东大学硕士学位论文 机中，部件间振动耦合是必然的，从而导致部件间的连接方式难以确定。传 统的研究方法是考察零件的模态，进行试验模态分析或有限元模态分析，但 在实际情况中，零件或部件都是受到各种载荷及约束的 z