（动力机械及工程专业论文）内燃机燃烧噪声传递路径识别及评价研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 内燃机燃烧噪声在整机噪声中占有重要地位，掌握燃烧噪声的传递途径是 控制燃烧噪声的有效方法之一。本文以河南4 0 7 厂6 2 0 v 1 2 内燃机为研究对象， 对燃烧噪声的传递途径进行了深入的研究，并利用有限元和边界元的方法预测 内燃机的燃烧噪声。 本文首先将内燃机缸盖、机体、油底壳实体模型进行合理简化，并进行组 合，建立零部件和整机的有限元模型，分别进行了模态分析，比较网格的疏密 划分对结果的影响，分析了其振动特性，为下一步的研究做好基础。 然后通过气缸压力详细计算了其传递到气缸盖、缸套和主轴承上力的大小， 利用a n s y s 软件将这三种力施加在有限元模型上，气缸套受力根据等效节点载 荷的方法施加在节点上，缸盖压力施加在缸盖底部的节点上，轴承力则是利用 表载荷的方法施加在轴承上，获得一个工作循环下其表面的振动响应结果， 并对不同位置的节点振动情况进行了分析，结果表明机体侧面上部和缸盖顶部 节点位移变化反映了气缸压力的变化，而内燃机机体观察窗附近的振动情况复 杂，针对这一现象，分别分析了这三种力对机体观察窗附近节点的影响，并分 析了每种途径下力传递能量的大小。缸盖压力是主要传递能量的途径之一，对 缸盖和油底壳的横向振动、机体观察窗附近的竖向振动以及前端盖的纵向振动 都有影响；缸套压力对表面振动影响较小，这是由于本身作用力的对称性以及 在缸套上作用面积较小而导致的：气缸压力传递到主轴承上的作用力对整机的 影响，相对缸盖力的影响并不大。 接着利用振动烈度和声压级评价内燃机缸盖压力、缸套压力和主轴承力三 条传递途径传递能量的大小。以振动烈度为评价标准计算结果：气缸盖传递能 量为总能量的6 0 ，主轴承力传递总能量的3 5 ，而缸盖传递能量为5 。以总 声压级为评价标准，同样得到结果气缸盖传递能量占第一位，主轴承力传递能 量占第二位，缸盖力传递能量为最小。 最后建立内燃机的边界元模型，编写有限元谱分析程序，将瞬态响应分析 得到的表面节点随时间变化的振动位移转化为随频率变化的位移数据；利用几 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 何差值方法从有限元分析得到的节点振动位移计算出边界元模型的节点振动位 移，利用边界元软件s y s n o i s e 计算得到内燃机通过三条途径共同作用距表面 l m 处的噪声辐射情况。 关键词：内燃机；气缸压力：传递路径；燃烧噪声 哈尔滨1 ：稗人学硕十学何论文 a bs t r a c t t h ec o m b u s t i o nn o i s ei si nt h eh i g h e s tf l i g h to f e n g i n e ，a n dk n o w i n gt h et r a n s f e r p a t ho fc o m b u s t i o nn o i s ei so n eo fe f f e c t i v em e t h o d so nt h ec o n t r o l l i n gn o i s e t h e p a p e rf o c u s e so nt h e6 2 0 v 12d i e s e le r 睁m em a n u f a c t u r e db yh e n a nf a c t o r y4 0 7 ， r e s e a r c h e st h et r a n s f e r p a t ho fc o m b u s t i o n n o i s ei nd e t a i l ，a n dp r e d i c t st h e c o m b u s t i o nn o i s eo fe n g i n e f i r s t l yt h ed i e s e le n g i n ec y l i n d e rh e a d , b l o c ka n d o i lp a np a r t sa l es i m p l i f i e da n d c o m b i n e d , a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o m p o n e n t sa n dt h ec o m b i n a t i o na r e e s t a b l i s h e d ，t h em o d e la n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h ee f f e c to ft h ee l e m e n t ss i z e ，f o r t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf u r t h e rr e s e a r c h t h e no nt h eb a s e do ft h ec y l i n d e r sp r e s s u r et h ef o r c eo fc y l i n d e rh e a d c y l i n d e r l i n e ra n dt h em a i nb e a r i n ga r ec a l c u l a t e d w h i c ha r e ab r o u g h tt ob e a ro nt h ef i n i t e e l e m e mm o d e lu s i n gt h es o f c w a r ea n s y s t h em e t h o do fe q m v m e mn o d el o a di sf o r t h ec y l i n d e rl i n e rf o r c e ，c y l i n d e rp r e s s u r ei sf o rt h ec y l i n d e rh e a db o t t o mn o d e s ，t h e m e t h o do ft a b l el o a di sf o rt h em a i nb e a r i n g ；t h er e s u l to fs u r f a c ev i b r a t i o n d i s p l a c e m e n ti no n ew o r k i n gc y c l ei sg a i n e dt oa n a l y z et h ed i f f e r e n tn o d e sv i b r a t i o n , f r o mw h i c hi tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt h en o d e sd i s p l a c e m e n to fb l o c kl e f t - u ps i d ea n d c y l i n d e rh e a dt o p s i d er e f l e c tt h ec y l i n d e rp r e s s u r e h o w e v e r , i t sc o m p l e xo ft h e b l o c kt w os i d e sd i s p l a c e m e n t s ，f o rw h i c ht h ei m p a c to ft h et h r e ek i n d so ff o r c ea n d t r a n s f e re n e r g ya r ec o m i d e r e ds e p a r a t e l y c y l i n d e rp r e s s u r ei so n eo ft h et r a n s f e r e n e r g yp a t h , w h i c ha f f e c t st h et r a n s v e r s ev i b r a t i o no fc y l i n d e rh e a da n do i lp a n , t h e v e r t i c a lv i b r a t i o no fb l o c ka n dt h el e n g t h w a y so ff r o n t e n dc o v e r ；c y l i n d e rp r e s s u r ei s l i t t l ee f f e c to nt h es u l f a c ev i b r a t i o n , t h a tb e c a u s ei t ss y m m e t r i c a la n da c t i v ea r e ai s l i t t l e ；b e a r i n gf o r c ei se f f e c to ne n g i n ei sb i gc o m p a r e dt oc y l i n d e rp r e s s u r e f o l l o w i n g ，t h et r a n s f e rp a t he n e r g yo fc y l i n d e rh e a d ，c y l i n d e rl i n e ra n dm a i n b e a t i n gi se v a l u a t e db yv i b r a t i o ni n t e n s i t ya n ds o u n dp r e s s u r el e v e l t ot h ev i b r a t i o n i n t e n s i t ya sas t a n d e r , t h ec o m p u t e dr e s u l ti st h a tc y l i n d e rh e a dt r a n s f e re n e r g y p r o p o r t i o ni s6 0 ，m a i nb e a r i n gt r a n s f e re n e r g yp r o p o r t i o ni s3 5 ，a n dc y l i n d e r 哈尔滨r 稃人学硕十学位论文 ii i _mnn_ h e a dt r a n s f e re n e r g yp r o p o r t i o ni s5 t ot h es o u n dp r e s s u r el e v e la sas t a n d e r , t h e r e s u l ti si d e n t i c a lt ot h er e s u l tb yt h ev i b r a t i o ni n t e n s i t y w h i c hi st h ec y l i n d e rh e a d t r a n s f e re n e r g yi sn u m b e ro n e ，t h em a i nb e a r i n gt r a n s f e re n e r g yi sn u m b e rt w o ，a n d t h ec y l i n d e rl i n e rt r a n s f e re n e r g yi st h el a s to n e f i n a l l y , t h eb o u n d a r ye l e m e n tm o d e lo fi n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e i s e s t a b l i s h e d , a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a mi sw r i t t e n , w h i c ht r a n s f e r r e d f r o mv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n to fa s s e m b l ys u r f a c en o d ei nt h et i m ed o m a i nb yu s eo f t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i st ov i b r a t i o nd i s p l a c e m e n td a t ao fs u r f a c en o d ei n f r e q u e n c yd o m a i n ；i tc a l c u l a t e dm o d ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n to fb o u n d a r ye l e m e n t m o d e lf r o mf ea n a l y z e dm o d ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n tb yu s eo fg e o m e t r y i n t e r p o l a t i o nm e t h o d , a n dg e tt h er a d i a t i o nn o i s ef r o ms u r f a c elm e t e ru s i n gt h e s o f b v v a r es y s n o i s e k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；c y l i n d e rp r e s s u r e ；t r a n s f e rp a t h ；c o m b u s t i o n n o i s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：吒杉景埔 j 日期：加7 年月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈 尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有 关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名 单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 叮在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月 后口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编 左盘 寸。 作者( 签字) ：孬量满导师( 签字) ：殆麦犀 日期： 加净月凇日a 阿净；月劢日 哈尔滨i ：程人学硕士学何论文 1 1引言 第1 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， 在船舶、汽车、拖拉机、工程机械和机车等工、农业领域获得了广泛的应用。 随着内燃机保有量的迅速增加，由内燃机带来的污染越来越严重，有关限制排 放和噪声的法规也越来越严格。 内燃机是一种用途广泛的热力机械，其中往复活塞式内燃机是应用最多的 类型，它的特点是通过活塞的往复运动和曲轴的旋转运动将周期爆发的燃气压 力转化为对外输出的功。由于内燃机周期性的燃气爆燃、气缸做功的不连续 性、内燃机运动件的惯性力和气缸气体作用力对内燃机都具有强烈的冲击和激 励作用m ，。并且，内燃机转速的变化，由负荷传递给内燃机的反扭矩的周期变 化，也能使内燃机产生振动。内燃机的振动和噪声具有宽频带的特点”1 ，这种 宽频带的振动和冲击对内燃机的可靠性，以及周围环境都会产生负面的影响。 近3 0 年来，在内燃机的噪声机理和降噪技术的研究中，无论是噪声源识别、 低噪声燃烧系统、低噪声结构优化设计、阻尼降噪技术以及零部件降噪技术等 方面都取得了很好的成果。尽管如此，噪声问题仍为车、船制造商和研究开发 者所关注。就内燃机的发展问题而言，最具有挑战性的要求是解决排污控制， 噪声、振动和行驶平顺性( n ) 。a v l 在展望2 l 世纪的车用内燃机时预测： 对于轿车，2 0 0 5 年2 5 辆轿车的噪声辐射能量相当于1 9 7 0 年1 辆轿车的辐 射量。对于货车，2 0 0 5 年2 0 辆货车的噪声辐射能量相当于1 9 7 0 年1 辆货车 的辐射量。a v l 认为新一代汽车内燃机必须满足欧或类似于欧的排放限制， 具有理想的燃料经济性，其噪声辐射至少低于当前噪声水平3 d 队“1 。德国a u d i 公司在探讨内燃机技术的发展时认为：降低噪声满足法规要求是近年来发展的 明显特点，并认为这种发展还会进步加强”。 由此可见，内燃机的噪声机理和降噪技术在相当长的时间里对于汽车和船 用内燃机领域的研究和技术开发而言，仍将是研究的一个重要课题。对于改善 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 我们的生活环境，对于提高我国内燃机产品的国际竞争力，逐步占领国内、国 际市场都具有特别重要的意义。 1 2 内燃机燃烧噪声产生的机理 关于燃烧噪声的产生机理，一般认为，由燃烧过程产生的结构振动来源于 气缸内气体压力的变化，它包括由气缸内压力急剧变化引起的动力载荷，以及 由压力冲击波引起的气体高频振动渺”。 1 2 1内燃机噪声分类 内燃机噪声按照噪声的特性分为空气动力噪声、燃烧噪声和机械噪声m ， 这三种类型的噪声又可以细化分类，见图1 1 。 图1 。l 内燃机噪声分类图 在内燃机噪声中，燃烧噪声是最主要的噪声源之一，它产生的主要原因是 由于燃料在气缸内燃烧时，气缸压力急剧上升产生的动载荷，经活塞、连杆、 曲轴主轴承传至机体表面以及通过气缸盖等传递而引起内燃机的结构表面振 动，并辐射出噪声。燃烧噪声主要决定于燃烧方式和燃烧开始初期的燃烧速度。 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i i_ i i i 机械噪声是由运动部件之间以及运动部件和固定部件之间周期变化的机械作用 力产生的。机械噪声主要包括活塞对缸套敲击引起的噪声、配气机构如气阀落 座等引起的噪声、正时齿轮和喷油泵等引起的噪声等。燃烧噪声和机械噪声都 要传播到内燃机表面，然后向空气辐射出噪声。而空气动力噪声是直接向大气 辐射的噪声源，主要有进气噪声、排气噪声和风扇噪声等，它们都是由于气流 的运动而产生的噪声。内燃机进气系统中的增压器及扫气泵的噪声，也包括在 进气噪声中。 1 2 2 气体动力载荷 气缸内的压力剧变使得气缸及其连接的所有部件受到强烈的冲击性动力载 荷，形成瞬间激励，并通过气缸盖、气缸套、活塞连杆机构、曲轴及其支承最后 传到内燃机的整体，导致各部件的结构振动。由气体动力载荷引起的噪声，其 强弱程度取决于压力升高率及最大压力升高率持续的时间。如果压力升高率相 同，但持续时间长，也会使噪声增强。 1 2 3 气体的高频振动 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，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，就形成气体的高频 振动，由此辐射出高频噪声“，。 燃烧噪声是由缸内气体的压力变化引起的，了解气缸压力的时域、频域特 性对于了解燃烧噪声具有很大意义。气缸压力曲线实际上是气缸内气体压力变 化的一种时域信号图形，从时域曲线中可以得到压力升高率等有关燃烧噪声的 信息。而气缸压力的频域曲线可以提供气缸压力波动所包含的频率成份和每一 频率成份压力强度的信息，从而掌握燃烧噪声特性并有效地控制燃烧噪声。气 缸压力的频谱曲线可用仪器直接测定，也可由气缸压力曲线作傅立叶转换求得。 气缸压力的频谱n 2 ，曲线可以分为三段： 1 曲线的低频区域，气缸压力级达到最大值，它的幅值主要是由气缸内的最大 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 压力值以及压力曲线的形状所决定。气缸的最大压力越高，频谱曲线的低频峰 值越高。 2 曲线中间部分的特点是气缸压力级以对数规律作线性递减，其斜率受气缸压 力升高率所控制，因此，它是燃烧开始时放热量的函数。 3 最后区域出现另一个压力级的峰值是由于燃烧开始时缸内局部区域压力急剧 上升，引起气体高频振动而产生的，主要与压力升高率的平方有关。 气缸压力频谱曲线低频段和中频段的形状基本上不受内燃机转速的影响， 只是当转速升高时，曲线向高频方向平移了一段距离。这是因为当转速变化时， 气缸压力的大小以及压力曲线的形状相对于曲轴转角来说大致保持不变的原 因。而曲线中的最后一个峰值，主要是由燃烧室尺寸以及冲击波的传播速度决 定的，其频率几乎与转速没有关系，但转速提高后，压力级有所提高。 燃烧噪声的大小不仅与气缸压力频谱有关，还与内燃机的结构衰减有关。 1 3内燃机燃烧噪声的传播途径 尽管内燃机燃烧室内压力剧烈变化会产生冲击载荷和高频气体压力振荡， 但他们本身并不是噪声，只有传递到内燃机的外面引起空气的振动才会产生能 够被入耳听到的噪声，因此燃烧噪声不是直接向大气辐射，而是使气缸套、气 缸盖和活塞等与之相接触的零件受激发生振动，经过不同的传递途径，最终是 通过内燃机的表面辐射出来，为了和直接向空气中辐射的空气动力噪声如进气 噪声、排气噪声、风扇噪声等相区别，故将这种在不同激励作用下由零部件表 面辐射出来的噪声称为表面噪声。 内燃机噪声的传递途径如图1 2 所示。其中通过三条主要途径传递到内燃 机外表面而辐射出噪声。第一条途径是经过气缸盖传播出来；第二条途径是经 缸套侧壁传到机体外表面；第三条途径是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至 机体外表面。由于导致内燃机压力急剧升高的速燃期燃烧主要发生在上止点附 近，所以燃烧噪声也主要发生在这段时间内，而此时活塞接近上止点，缸内气 体和气缸壁接触面积很小，因此通过气缸壁传到机体外也就是第二条途径辐射 出的燃烧噪声十分有限。其中最重要的是第三条传递途径，气缸内燃料燃烧产 生的大部分振动能量是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体外表面，使机 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 体尤其下曲轴箱产生强烈的结构振动，从而辐射出噪声，大约有8 0 的燃烧噪 声是通过第三条途径传播的，而约2 0 燃烧噪声通过第一条途径即气缸盖传递 出来“。 燃 烧 压 力 图l - 2内燃机燃烧噪声传播途径示意图 燃烧激励首先要使得传递路径中的零部件受激励产生振动响应，最终使机 体产生结构振动而从机体表面辐射出噪声。因此燃烧噪声受传递路径中的传声 零件本身动态特性的影响很大，使得所辐射出的噪声在不同的频段受到不同程 度的衰减，由于大多数传声零部件如活塞、连杆、曲轴等动态特性的原因，对 低频振动的传递能力较弱，而对中、高频振动的传递能力较强。尽管燃烧噪声 中的低频部分激励的强度很大，但在传递过程中受到很大的衰减，使得实际传 出的低频振动所辐射的低频噪声也受到很大衰减，相对而言，高频段振动噪声 的衰减量则要小得多。 1 4 国内外内燃机燃烧噪声的现状 近几年，对燃烧噪声的研究，主要集中在对降低燃烧噪声以及燃烧噪声和 排放、燃油的经济性相结合的研究，各研究机构采取了各种方法和技术，取得 了较好的成果。 1 4 1燃烧噪声识别与测量方法研究现状 最早研究内燃机的燃烧噪声是通过经验或半经验公式来模拟气缸压力曲线 的，对于内燃机的直接燃烧噪声主要是通过气缸内的气体压力来表现的。1 9 7 4 5 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 年，m u r a y a m a 通过气缸压力频谱曲线评定内燃机的燃烧噪声”。1 9 8 4 年，匹辛 格等人提出了时间一频率一窗的燃烧噪声识别方法n ”。1 9 8 5 年m f r u s s e l l 通 过测量出具有结构衰减的内燃机气缸压力频谱来表示其燃烧噪声n ”。1 9 9 2 年， 陈锦祥等在内燃机学报上发表了燃烧噪声识别的数学模型，通过相干输出功率 谱函数法从总噪声中直接识别燃烧噪声n 端。1 9 9 8 年，y a j i m a 用小波变换方法代 替传统的傅立叶变换对缸内燃烧压力进行实时振动谱分析，该方法为降低燃烧 噪声提供了很好的指导作用“”。1 9 9 9 年，a 从s a a d 提出燃烧噪声和机械噪 声的分离方法以及直接燃烧噪声和间接燃烧噪声的分离方法n ，。 2 0 0 1 年，z l i 等把声强测量技术应用到内燃机燃烧噪声的测量实验中，推 导出内燃机燃烧噪声和机械噪声分离计算公式i r a 。2 0 0 3 年，g c h i a t t i 利用时一 频分析技术分析内燃机的燃烧噪声，掌握不同时间、不同频段燃烧噪声大小m 1 。 2 0 0 5 年，s h ug e q u n 通过具体的压力产生信号装置模拟气缸压力，并测出此时 的传递函数，进而得到燃烧噪声的传递函数，试验研究直喷式内燃机燃烧噪 声传递函数，利用产生压力信号装置模拟气缸压力，通过测量燃烧室内的压力 信号及信号引起的内燃机表面振动而辐射的噪声求得燃烧噪声的传递函数”。 2 0 0 7 年，f r a n zb r a n d l 在s a e 上提出一种分离燃烧噪声和机械噪声的新的软件 工具噼，。2 0 0 7 年，j o s es c s r p a t i 等利用参数化燃烧压力曲线预测内燃机噪声， 提出一种理论的计算气缸压力曲线的方法，考虑了燃烧过程的高频振荡，并与 实际的测量值进行了比较，。 1 4 2 燃烧噪声影响因素研究现状 在燃烧噪声的影响参数方面进行了深入的研究。1 9 8 0 年，英国l u c a s 大学 的h e h e a d 等研究了加速率、进气温度、内燃机温度以及加速期的供油规律对 瞬态工况噪声的影响m 1 。1 9 8 7 年，奥地利a v l 的a r u s t 等通过测试燃烧室壁温， 研究了瞬态工况变化对燃烧室壁温的影响进而影响燃烧噪声的问题，揭示了同 负荷、同转速的稳态工况与瞬态工况的区别在于其燃烧系统的温度不同悔1 。1 9 9 5 年，s uw a n h u a 等通过单孔直喷式燃烧系统改善燃烧，降低燃烧噪声嘲。1 9 9 5 年，s k o h k e t s u 通过降低双弹簧喷油器初次开启压力和针阀预升程来抑制空气 和燃料混合气的形成对怠速工况的燃烧噪声的影响旧，。1 9 9 8 年，y a j i m a 指出燃 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 _ _ml_ _ _ i n_n_ 油的高压喷射会导致燃烧噪声的增加，通过缩短着火延迟期可以降低燃烧噪声， 但是不能降低高速下的扩散燃烧协，。2 0 0 7 年，s h a n j i nw a n g 利用多个喷射系统 对燃烧噪声进行优化，得出增加预喷射的个数可以更好地降低噪声辐射级数。 随着对内燃机噪声问题的不断深入以及计算机技术的飞速发展和各种商业 软件的出现，多体动力学仿真( m u l t i b o d ys y s t e ms i m u l a t i o n ，m s s ) 、有限 元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 、边界元分析( b o u n d a r ye l e m e n t a n a l y s i s ，b e m ) 等方法引入到了内燃机噪声和振动的分析中，使得缸内压力曲 线可以在软件中真实的模拟，如美国g t i 公司的g t - p o w e r 软件模拟内燃机的气 缸压力曲线。比利时l m s 公司的s y s n o i s e 软件预测燃烧噪声机体表面的辐射噪 声。m s c 公司的多体动力动力学分析软件a d m a s 所包含的a d m a s e n g i n e 软件包 具有对轴系、传动系、进排气阀等运动机构进行动力学特性分析的强大功能； 奥地利的a v l 公司开发了包括轴系动力学、活塞动力学、活塞运动学、曲柄连 杆运动学仿真技术的软件包，通过软件的使用可以实现从模拟内燃机燃烧压力 曲线到由于燃烧压力引起的机体表面的辐射噪声预测的整个过程，通过仿真技 术对内燃机振动噪声问题进行分析和计算。 卫海桥、舒歌群等对内燃机的燃烧噪声进行了相对详细的研究，提出由于 内燃机结构对高频激励传递的衰减系数较小，使得在燃烧压力高频振荡的共振 频率处辐射的燃烧噪声能量较大，成为燃烧噪声的主要成分，并通过相干分析 得出燃烧噪声和活塞拍击噪声在哪些频段占有主要地位b “，燃烧噪声和活塞拍 击噪声在高频段的分布情况陋，；探讨直喷式内燃机燃烧噪声和活塞拍击噪声的， 通过对含有活塞拍击噪声的燃烧噪声和不含拍击噪声的燃烧噪声进行相干分析 得出在频率3 5 、9 4 、1 1 、1 6 、2 1 、2 3 k h z 附近的频率段相干性较差，活塞拍 击频率主要集中在1 2 、4 3 、8 2 、1 7 和2 4 1 d t z 等频率附近，动力负荷和高 频压力振荡是影响燃烧噪声的直接因素m ，应用声响应法和s y s n o i s e 声学软件 进行模态实验和模态分析，研究燃烧噪声高频激励机理，通过有限元方法计算燃 烧室空腔在点声源激励下的声压响应，得到燃烧室空腔在激励作用下产生较强 的压力振荡的频率悔。2 0 0 5 年，蔡继业提出了评价内燃机燃烧噪声的新指标一 压力振荡的最大幅值，即单位时间内产生的最高压力升高率的大小嘲。2 0 0 6 年， 卫海桥等分析了直喷式内燃机在瞬态工况下燃烧噪声的二级影响参数燃烧室 温、气阀升程、转速等对燃烧噪声的影响。 哈尔滨 ：程大学硕十学何论文 2 0 0 4 年，郭勇田完成了“c a 6 11 0 内燃机燃烧噪声的试验研究 硕士论文m 1 ， 通过试验的方法分析供油提前角、内燃机转速、负荷等对燃烧噪声的影响，并 为降低燃烧噪声做准备。同年天津大学机械工程学院的卫海桥完成了“直喷式 内燃机瞬态工况燃烧噪声激励机理研究 的博士学位论文恤，对内燃机瞬态工 况燃烧噪声的机理进行了更深层次的揭示，并研究了燃烧室空腔声模态对缸内 压力高频振荡的影响。2 0 0 5 年，天津大学的马万福完成了“基于有限元法的内 燃机机体振动分析与噪声预测研究 的硕士论文，用有限元法对某内燃机机体 进行模态分析和动力响应分析，并利用计算结果得出机体的表面辐射噪声t “。 2 0 0 6 年，哈尔滨工程大学的刘雪彬完成了“内燃机燃烧噪声的预测 的硕士论 文，利用有限元法在a n s y s 中建立有限元模型，并在s y s n o i s e 中利用无限元 法预测机体表面的辐射噪声。同年大连理工大学的周海涛完成了“预喷射控制 燃烧噪声的仿真计算与试验研究”论文，利用6 t s u i t e 软件模拟单次喷射与预 喷射对燃烧噪声的影响并与利用高压共轨喷射系统的试验结果进行比较m ，。 1 4 3内燃机噪声控制方法研究现状 在内燃机表面辐射噪声预测和控制方面也有相关的论文发表。2 0 0 0 年，刘 福水等通过由三层复合材料构成的隔声罩来降低高频辐射噪声删。2 0 0 3 年，天 津大学的吴兰芳完成了“内燃机表面辐射噪声屏蔽技术的理论试验研究 的硕 士学位论文m ，利用阻尼或吸声材料对机体和油底壳表面辐射噪声进行控制， 并进行了试验测试研究。2 0 0 5 年，许响林完成了“内燃机表面辐射噪声控制研 究 硕士学位论文- 柚，利用有限元和边界元方法，通过改进气缸体和油底壳的 结构来控制内燃机机体的表面辐射噪声。2 0 0 1 年庞华廷通过采用增加阻尼、提 高结构刚度等措施，增加内燃机缸体结构对燃烧噪声的衰减，在油底壳覆盖隔 振材料，降低油底壳的辐射噪声m 刈，内燃机采用“龙门式”机体，弯曲和扭转 刚度变大，铝机体采用交错的蜂槽状表面，可大大增加刚度；多层板材料的油 底壳或罩盖，可增加阻尼，使冲压形式的刚度变大。2 0 0 4 年，朱晓健研究低噪 声内燃机装置降噪新技术，通过改变结构的模态避免共振峰，降低部件的结构 噪声。2 0 0 5 年，索文超对内燃机的噪声源、传播途径和辐射表面三方面进行 阐述降低噪声的方法。2 0 0 6 年，舒歌群提出除了在油底壳加装加强筋以降低 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学 寺论文 噪声外，还可以在油底壳中间加v 型隔板，以增加对油底壳侧壁的支撑，减少 辐射噪声”“。2 0 0 7 年，王鑫对高负荷下内燃机结构噪声预测及控制技术进行研 究，在预测内燃机辐射噪声的基础上，采用阻尼技术控制油底壳的辐射噪声i 匏，。 1 5 本论文研究的主要内容 本文主要以内燃机的气缸压力为研究线索进行展开，气缸压力通过气缸盖、 机体和主轴承三条途径传递到机体表面，从而辐射噪声。为了更加进一步的研 究气缸压力的传递路径和燃烧噪声预测，本文主要研究了以下几个方面的工作： 1 将原有6 2 0 v 1 2 内燃机气缸盖、机体和油底壳等零部件的实体模型进行简 化，并建立有限元模型；然后将零部件进行组合，利用有限元软件a n s y s 建立 整机的有限元模型，计算各零部件和整机的固有频率和振型。 2 利用动力学分析计算得出传递到气缸盖、缸套和主轴承的力随时间变化 的大小和位置，并计算得到1 2 缸v 型内燃机发火间隔角，编写m a t l a b 程序计 算曲柄销处合成作用力以及主轴颈、主轴承的合成作用力。 3 分析载荷施加方式，对于缸盖底面的压力采用表面节点压强载荷计算； 缸套上作用力大小和位置均随时间变化而变化，采用等效节点载荷的方法计算； 主轴承作用力大小和位置同样随时间变化而变化，但是考虑到单元的尺寸，以 及计算的准确性，主轴承力则是采用表载荷方法计算； 4 编写a p d l 语言，将各力读入到内燃机有限元模型中，利用a n s y s 软件计 算得出内燃机表面的振动响应，以及内燃机各处的应力、应变情况。 5 计算气缸压力通过三条主要途径传递到整机表面的振动响应情况，对 局部节点的位移、速度和加速度进行时频分析。利用工程的计算方法，计算三 条传递路径下内燃机的振动烈度。 6 在有限元计算结果的基础之上建立边界元模型，编写a p d l 语言写出内 燃机表面振动位移，利用s y s n o is e 软件计算内燃机由气缸压力引起的表面辐射 噪声；建立场点模型分析距内燃机表面1 m 处的辐射噪声。 7 利用总声压级、表面平均声压级评价三条传递路径下的声压级大小，与 振动烈度的评价结果进行比较。 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章内燃机噪声基本理论知识 本章主要介绍了结构模态分析理论、有限元理论知识及方法，并介绍声辐 射边界元分析理论及方法和单元选用方法等。本文是运用有限元法和边界元方 法对内燃机的燃烧噪声进行预测研究。 2 1 有限元理论 2 1 1 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，其基本思想是将求解区域离 散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合体- 渊。它是随着电子 计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 中的一种。 离散后的单元与单元之间只通过节点相互联系，所有力和位移都通过节点 进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部，子域 分界面上( 内部边界) 以及子域与外界分界面( 外部边界) 上都满足一定的条 件。然后把所有单元的方程结合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程， 就可以得到结构的近似解。离散化是有限元方法的基础。 2 1 2 模态分析理论 结构模态分析是结构动态设计的核心，是进行振动与噪声预测的基础。结构 模态是由结构本身的特性与材料特性所决定的，与外载荷等条件无关。模态分 析是用来确定结构振动特性的一种技术，这些振动特性包括：固有频率、振型、 振型参与系数( 即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动) 等。若要 进行谐波响应分析或瞬时动态响应分析，固有频率和振型也是非常必要的t 删。 由弹性力学有限元法，多自由度系统的动力学方程为： 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ii_ _ i _ ii- m 】 万) + 【c i 8 + k 万) = ( f ) ) ( 2 - 1 ) 其中：【m 】为结构的总质量矩阵；【k 为结构的总刚度矩阵；【c 】为结构的 阻尼矩阵； 毋为节点位移列阵； 厂( f ) ) 为节点等效动载荷列阵； 艿) 为节点位 移的二阶导数列阵；即加速度列阵； 西为节点位移的一阶导数列阵，即速度 列阵。 当忽略阻尼影响，运动方程简化为： 【m 】 6 + 【k 】 万) = 厂o ) ( 2 2 ) 令 厂( f ) = 0 ，则( 2 2 ) 式变为无阻尼多自由度系统的运动微分方程： 【m 万 + k 】 万) = 0 ( 2 3 ) 假设结构作如下简谐振动： 研= 矽) p ( 2 - 4 ) 将上式代入，可得齐次方程： ( 隧】一w 2 【膨】) 掰= 0 ( 2 5 ) 若 矽 有非零解，则系数行列式必等于零，即 d e t ( k 卜w z m 】) = 0 ( 2 6 ) 从( 2 - 6 ) 式可得v 个w 2 的值，即得到j 7 v 个无阻尼系统的固有频率值w ，( j = l ， 2 n ) ，再依次代入方程( 2 - 5 ) ，即可得到各阶正则化的振型向量 矽) ，。 因此求解一个多自由度系统的固有频率和振型的问题就归结为求方程的特征值 和特征向量问题。一般来说，可用于求解特征值问题的常用方法有两种，即变 换法和迭代法，当要求全部特征值时，最好用变换法，例如，雅可比( j a c o b i ) 法等，若只要求几个特征值和特征向量时，则采用迭代法更为合适。在有限元 计算中，多采用迭代法求解，例如子空间迭代法( s u b s p a c e ) ，豪斯霍尔德 ( h o u s e h o l d e r ) 法、兰索斯( l a n c z o s ) 法等。 2 1 3 动态分析理论 实际工作中，结构经常要受到随时间变化的动载荷的作用。动载荷较大， 或者虽然不大，当作用力的频率和结构的某一阶固有频率接近时，结构将产生 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 强烈的共振，从而引起很高的动应力，造成结构强度破坏或产生不允许的变形。 因此，有必要对结构作动力学分析，也就是要分析结构的固有频率、主振型， 以及在动载荷作用下的动挠度、动应力等。因此，常常先求出系统的固有频率 和固有振型，即模态分析。结构动态响应分析是用来确定结构在随时间变化的 载荷下的结构动力响应的方法，它用来分析随时间变化的位移、应变、应力以 及力载荷下的结构响应。 对于一个有阻尼的弹性体来说，其运动方程为侧 【m 】 万 + 【c 】 万) + 【k 】 万) = 厂( f ) ) ( 2 7 ) 对于一个无阻尼的弹性体来说，其运动方程为 【m 】 田+ 【q 8 = 厂( ，) ) ( 2 8 ) 求解上述方程可以把时间维按照有限元法离散化，这便成了四维的有限元 问题。由于自由度数目大大增加，因此并不实用。较为通用的方法是在时间域 内用差分法，求动力学响应的问题。因此就变成空间域的有限元法和时间域的 差分法的结合，这种方法也成为半离散的有限元法。在掌握空间域的有限元法 后，关于时间域的差分法应变成为解动力学响应的关键。 其基本理论想法是：取一个时间轴亡，并认为亡轴上只有有限个差分点满 足动力学响应的平衡方程，然后在这些点上解稳态平衡方程。假设差分法的间 距相等且为出。求解从，= 0 开始求出，= & ，t = 2 ，t = o 一1 ) 出时的f 个 平衡方程的解，并用刀个解去逼近响应问题的解，当空间域是精确解时，专o 时，实际就是可得到响应问题的精确解，如果玎一o o ，实际计算是不允许的。 因此，时间域的求解方法很值得研究，在半离散有限元法中，求响应的问 题主要用直接积分法和模态叠加法。直接积分法即对多自由度系统的微分方程 直接积分，写成矩阵形式，用计算机逐步求解。这可用于一般的阻尼情况，并 可按增量法，用逐段线性化的方程求解非线性系统的问题。模态叠加法是将冗 阶自由度系统的动力学方程，经模态矩阵变换，化为互不耦合的1 个自由度问 题，逐个求解后再叠加，称模态叠加法。这需要先计算各阶模态，而且仅适用 于线性系统和简单的阻尼情况。 哈尔滨1 ：程大学硕+ 学位论文 2 2 边界元理论 结构进行动力学分析，在此基础上预测结构的噪声，结构振动响应与辐射 噪声之间的关系是非常复杂的。根据强迫振动响应计算辐射噪声的计算方法： 平板理想化法、有限元法和边界元法。平板理想化方法方便易行，但其计算精 度较差。有限元法在处理外辐射声场时需划分三维空间网格，数据准备和计算 工作量较大，而最终难免存在由于单元截断所产生的单元截断误差。 自2 0 世纪5 0 年代以来，亥姆霍斯h e l m h o l t z 边界积分方程被广泛地用来 分析无界声场中结构声辐射。7 0 年代以后，基于h e l m h o l t z 边界积分方程的边 界元方法更是被许多学者视为计算无界声场中声辐射地最好方法。边界元方法 ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 旧是将描述振动声辐射问题的亥姆霍斯 ( h e l m h o l t z ) 方程边界问题划分为边界积分方程并吸收有限元方法的离散技术 而发展起来的。边界元方法是求解边界积分方程弱解的一种数值方法，它在边 界上放松了对未知量采用一定的插值函数进行离散插值，最后将边界积分方程 离散化为一系列“节点 未知量的线性代数方程组，求解这一方程组，即可得 到边界“节点 上的未知量，进而根据需要计算分析域内的参数。相比有限元 方法等区域型解法，其显示自身的以下特点：首先它将问题的维数降低一阶， 从而使得数据准备工作量和求解自由度大为减少；其次又由于它利用了微分算 子的解析基本解作为边界积分方程的核函数，具有解析与数值相结合的特点，