柴油机机体辐射噪声预测及低噪声改进设计

1994 第 4期29 4柴 油 机 机 体 辐 射 噪 声 预 测 及 低 噪 声 改 进 设 计杨 陈 , 郝 志 勇 , 陈 馨 蕊(浙 江 大 学 机 械 与 能 源 工 程 学 院 , 浙 江 杭 州 310027)摘 要 : 为 降 低 柴 油 机 的 整 机 噪 声 ,采 用 虚 拟 预 测 技 术 对 发 动 机 的 机 体 进 行 了 低 噪 声 改 进 设 计 . 首 先建 立 了 由 柔 性 机 体 、 柔 性 曲 轴 和 刚 性 连 杆 、 活 塞 、 平 衡 轴 组 成 的 单 缸 柴 油 机 的 多 体 动 力 学 模 型 . 通 过动 力 学 仿 真 求 解 得 到 传 递 给 机 体 的 各 种 激 励 力 ,再 根 据 的 方 法 求 解 出 整 机 的 辐 射声 功 率 级 ,仿 真 得 到 的 结 果 与 实 验 结 果 吻 合 较 好 . 最 后 通 过 对 原 机 体 的 结 构 进 行 改 进 设 计 ,不 仅 降低 了 整 机 的 声 功 率 级 ,减 小 了 机 体 对 油 底 壳 、 齿 轮 室 盖 的 激 励 ,还 节 省 了 约 5 料 词 : 柴 油 机 ; 机 体 ; 多 体 动 力 学 ; 有 限 元 法 ; 辐 射 噪 声中 图 分 类 号 : 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 1671 - 7775 (2008) 04 - 0301 - 03of s 10027, To s an p on p A a p up to p on as p to p of by . 74 A ) , to by 日 期 : 2007 - 10 - 20基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50575203)作 者 简 介 : 杨 陈 (1982 ) ,男 ,江 苏 盐 城 人 ,博 士 研 究 生 (3000821025163. ,主 要 从 事 发 动 机 振 动 与 噪 声 控 制 研 究 勇 (1955 ) ,男 ,陕 西 绥 德 人 ,教 授 ,博 士 生 导 师 ( ,主 要 从 事 发 动 机 振 动 与 噪 声 控 制 研 究 各 国 对 汽 车 噪 声 的 限 制 越 来 越 严 格 ,内 燃机 是 汽 车 噪 声 的 重 要 声 源 . 在 国 外 包 括 多 体 动 力 学仿 真 ( 有 限 元 ( 、 边 界 元 (等 数 值仿 真 技 术 已 经 用 于 内 燃 机 开 发 阶 段 对 噪 声 水 平 进 行预 测 ,以 达 到 低 噪 声 设 计 的 目 标 1, 2 . 国 内 也 开 展 了这 方 面 的 研 究 工 作 ,以 虚 拟 技 术 为 手 段 ,实 现 对 内 燃机 的 子 结 构 辐 射 噪 声 进 行 预 测 3, 4 ,但 还 未 涉 及 到机 体 结 构 的 低 噪 声 改 进 设 计 . 发 动 机 工 作 时 机 体 在多 种 动 载 激 励 下 发 生 振 动 ,并 带 动 与 其 表 面 相 连 的薄 壁 件 剧 烈 振 动 产 生 大 量 辐 射 噪 声 ,因 此 对 机 体 结构 进 行 改 进 ,在 降 低 自 身 振 动 的 同 时 也 可 以 降 低 对其 他 附 件 的 激 励 ,这 也 将 是 一 种 行 之 有 效 的 降 噪手 段 型 号 单 缸 柴 油 机 为 例 ,先 建 立 曲 柄 连 杆 机构 的 多 体 动 力 学 模 型 ,获 得 主 轴 承 力 、 活 塞 侧 向 力 、平 衡 轴 轴 承 力 等 各 载 荷 ,再 根 据 依 1994 第 29卷次 得 出 整 机 的 表 面 振 动 速 度 及 辐 射 噪 声 的 声 场 分布 3 ,整 个 流 程 如 图 1所 示 . 最 后 结 合 原 机 体 组 合模 型 的 动 态 特 性 和 辐 射 噪 声 频 谱 图 ,针 对 机 体 薄 弱部 位 作 出 相 应 的 改 进 ,最 终 达 到 机 体 降 噪 的 设 计目 标 辐 射 噪 声 预 测 流 程1 of p 多 体 动 力 学 仿 真内 燃 机 工 作 时 ,作 用 在 机 体 上 的 力 包 括 气 体 爆发 压 力 、 主 轴 承 力 、 活 塞 侧 向 力 等 多 种 载 荷 ,受 试 验条 件 的 限 制 有 些 载 荷 不 便 通 过 传 感 器 测 得 ,而 多 体动 力 学 仿 真 技 术 正 提 供 了 获 取 这 些 载 荷 的 有 效 方法 . 首 先 建 立 一 个 包 含 机 体 、 曲 轴 、 连 杆 、 活 塞 、 平 衡轴 在 内 的 多 体 动 力 学 模 型 并 按 照 实 际 的 运 动 关 系 确定 各 个 运 动 副 (如 图 2) 发 动 机 多 体 动 力 学 分 析时 ,曲 轴 、 润 滑 油 膜 及 主 轴 承 的 相 互 耦 合 作 用 对 主 轴承 载 荷 及 整 机 振 动 有 很 大 影 响 ,因 此 为 了 提 高 计 算 精度 ,曲 轴 和 机 体 采 用 柔 性 体 . 在 活 塞 的 顶 部 施 加 气 缸爆 发 压 力 动 机 的 额 定 转 速 为 2 200 r/m 了获 得 稳 定 可 靠 的 载 荷 数 据 ,整 个 仿 真 过 程 取 3个 周期 ,并 对 仿 真 得 到 的 时 域 内 的 各 载 荷 进 行 傅 立 叶 变换 ,结 果 作 为 有 限 元 进 行 频 率 响 应 分 析 时 的 输 入 载荷 5 多 体 动 力 学 模 型2 有 限 元 动 态 特 性 分 析建 立 整 机 的 有 限 元 模 型 包 括 机 体 、 气 缸 盖 、 气 门室 罩 等 ,该 发 动 机 的 油 底 壳 表 面 积 较 小 且 不 是 主 要噪 声 源 ,所 以 模 型 中 并 没 有 包 含 油 底 壳 部 件 . 边 界 约束 条 件 及 载 荷 如 下 :约 束 机 体 4个 连 接 螺 栓 孔 的 6个 方 向 的 自 由 度 ;将 气 体 爆 发 压 力 施 加 在 气 缸 盖 上 ;活 塞 侧 向 力 施 加 在 气 缸 套 内 壁 ;主 轴 承 载 荷 和 平 衡轴 轴 承 载 荷 施 加 在 对 应 的 轴 承 孔 四 周 . 对 于 发 动 机的 辐 射 噪 声 来 讲 ,其 主 要 能 量 集 中 在 3 000 5, 6 ,所 以 文 中 的 频 率 响 应 求 解 范 围 确 定 为 2003 000 算 步 长 为 20 算 结 果 中 输 出 有 限元 模 型 表 面 节 点 的 振 动 速 度 ,作 为 边 界 元 模 型 的 边界 条 件 . 为 了 验 证 有 限 元 频 率 响 应 计 算 的 准 确 性 ,对发 动 机 台 架 试 验 得 到 的 机 体 上 某 点 的 振 动 速 度 与 计算 得 到 的 值 进 行 比 较 ,如 图 3所 示 试 验 与 计 算 得 到 的 振 动 速 度 比 较3 of 3可 以 看 出 试 验 曲 线 的 峰 值 显 得 比 较 密集 ,这 是 因 为 试 验 时 数 据 采 样 频 率 高 ,但 两 条 曲 线 整体 还 是 吻 合 的 ,尽 管 存 在 一 些 误 差 ,但 是 还 可 以 满 足辐 射 噪 声 计 算 的 需 要 边 界 元 模 型 建 立 及 声 学 仿 真通 过 有 限 元 计 算 得 到 结 构 的 振 动 速 度 ,还 需 进一 步 对 结 构 振 动 产 生 的 辐 射 噪 声 特 性 进 行 分 析 . 声学 系 统 的 边 界 元 方 程 描 述 如 下 :p = ) T ) ( 1 )式 中 压 ; ) 为 声 音 传 递 向 量 ; 为 对 应的 频 率 ; ) 为 结 构 表 面 振 动 法 向 速 度 性 能 预 测 时 只 需 要 模 型 的 外 包 络 面 网 格 ,因 此 利 用 整 机 有 限 元 网 格 生 成 边 界 元 网 格 导 入 到再 把 频 响 计 算 得 到 的 表 面 振 动速 度 作 为 边 界 元 模 型 的 边 界 条 件 ,利 用 直 接 边 界 元法 (D 对 整 机 的 外 部 声 场 进 行 求 解 ,同 时在 距 机 体 两 侧 面 25 置 域 点 ,以 便 获 得 各 频率 下 的 声 强 云 图 . 为 了 验 证 文 中 方 法 的 准 确 性 ,采 用表 面 振 动 速 度 法 获 得 发 动 机 声 功 率 级 的 频 谱 ,并 与 1994 杨 陈 等 : 柴 油 机 机 体 辐 射 噪 声 预 测 及 低 噪 声 改 进 设 计 303声 学 仿 真 得 到 的 频 谱 进 行 比 较 ,如 图 4所 示 辐 射 声 功 率 级 的 计 算 值 与 测 量 值 比 较4 of 曲 线 吻 合 得 较 好 ,说 明 该 预 测 方 法 具 有 较高 的 准 确 性 和 可 靠 性 ,满 足 工 程 应 用 的 需 要 ,因 此 可以 依 据 该 方 法 进 行 机 体 的 低 噪 声 改 进 设 计 . 根 据 仿真 结 果 ,原 模 型 辐 射 声 功 率 级 为 91. 95 A ) ,比 较突 出 的 峰 值 频 率 有 940, 1 100, 1 820 这 些 频率 正 好 与 整 机 约 束 状 态 下 的 固 有 频 率 相 对 应 ,因 此要 降 低 整 机 的 辐 射 噪 声 ,必 须 改 善 机 体 的 刚 度 ,提 高其 固 有 频 率 ,一 方 面 降 低 自 身 的 辐 射 噪 声 ,另 一 方 面也 可 降 低 机 体 传 递 给 油 底 壳 、 齿 轮 室 盖 、 机 体 后 盖 板的 激 励 ,从 而 降 低 这 些 板 壳 类 部 件 的 辐 射 噪 声 机 体 的 低 噪 声 改 进 设 计一 般 来 说 ,单 缸 柴 油 机 机 体 的 结 构 特 点 是 头 部材 料 冗 余 ,刚 度 大 ;尾 部 及 两 侧 壁 薄 且 布 置 了 许 多 安装 孔 ,使 得 这 些 部 位 刚 度 薄 弱 ,容 易 引 起 机 体 整 体 的一 阶 弯 曲 振 动 和 尾 部 的 左 右 摆 动 . 对 原 机 体 进 行 模态 计 算 后 证 实 了 这 一 点 ,原 机 体 约 束 状 态 下 比 较 明显 的 振 型 就 是 尾 部 的 左 右 摆 动 和 整 体 的 一 阶 弯 曲 振动 ,因 此 为 了 提 高 原 机 体 的 刚 度 ,就 必 须 在 满 足 强 度要 求 的 前 提 下 ,尽 可 能 地 简 化 头 部 结 构 ,去 除 不 必 要的 加 强 筋 ,使 得 整 体 的 刚 度 分 布 更 加 合 理 ,同 时 还 要进 一 步 提 高 尾 部 的 摆 动 和 弯 曲 刚 度 ,经 过 反 复 修 改和 计 算 后 确 定 有 效 的 改 进 措 施 如 下 :(1)机 体 尾 部 用 加 大 的 过 渡 圆 角 ;(2)在 机 体 左 侧 加 加 强 筋 ;(3)右 侧 外 壁 了 十 字 筋 ,内 壁 面 了 宽 8 ;(4)简 化 机 体 头 部 结 构 ,同 时 将 水 腔 两 侧 平 板替 换 为 圆 弧 板 ,既 可 以 提 高 机 体 刚 度 ,又 可 以 减 轻 机体 的 质 量 是 改 进 后 的 机 体 模 型 ,比 原 机 体 减 轻 了 约5 . 经 静 强 度 计 算 后 ,最 大 主 应 力 水 平 与 原 机体 相 当 ,但 整 体 的 应 力 分 布 更 加 均 匀 . 表 1是 改 进 前后 机 体 的 约 束 模 态 对 比 ,不 难 发 现 ,改 进 后 的 机 体 固有 频 率 变 大 了 改 进 后 的 机 体 模 型5 改 进 前 后 机 体 约 束 模 态 频 率 对 比1 of f m l 原 模 型 改 进 后 模 型 增 加 百 分 比 /%1 356. 66 379. 82 6. 492 683. 49 715. 43 4. 673 762. 05 785. 03 3. 024 931. 52 942. 27 1. 155 1 014. 6 1 031. 4 1. 66图 6是 改 进 前 后 的 整 机 辐 射 声 功 率 级 的 频 谱 对比 图 ,改 进 后 整 机 辐 射 声 功 率 级 为 90. 21 A ) ,降低 了 1. 74 A ) ,而 原 来 比 较 突 出 的 噪 声 频 率940, 1 100 显 地 降 低 . 改 进 后 的 机 体 刚 度 增加 了 ,振 动 变 小 了 ,其 传 递 给 油 底 壳 、 齿 轮 室 盖 、 后 盖板 的 激 励 也 变 小 了 为 改 进 前 后 机 体 上 齿 轮 室 盖的 9个 螺 栓 连 接 点 的 有 效 法 向 振 动 速 度 对 比 情 况 。图 6 改 进 前 后 的 声 功 率 级 频 谱 对 比 图6 of 齿 轮 室 盖 连 接 点 的 法 向 振 动 速 度 对 比7 of to 转 第 321页 ) 1994 陈 汇 龙 等 : 荷 电 石 灰 浆 雾 滴 吸 收 传 质 特 性 分 析 321 5 亢 燕 铭 . 荷 电 喷 雾 脱 硫 与 细 颗 粒 捕 集 的 研 究 D . 西安 :西 安 交 通 大 学 , 1999. 6 叶 世 超 , 夏 素 兰 , 易 美 桂 , 等 . 化 工 原 理 (下 册 )M . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2002: 12 - 17. 7 王 军 锋 , 闻 建 龙 , 王 泽 , 等 . 煤 油 荷 电 喷 雾 特 性 及喷 雾 流 场 的 试 验 研 究 J . 机 械 工 程 学 报 , 2002, 38(7) : 37 - W e, et on sp p sp of J . 2002, 38 (7) : 37 - 40. ( 8 张 军 , 闻 建 龙 , 王 军 锋 , 等 . 不 同 雾 化 模 式 下 静 电雾 化 的 雾 滴 特 性 J . 江 苏 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 ,2006, 27 (2) : 105 - W et of sp at of sp J . N 2006, 27 (2) : 105 - 108.( 9 N. of by J . 2005, 39 (2) : 141 - 150. 10 郝 吉 明 , 王 书 肖 , 陆 永 琪 . 燃 煤 二 氧 化 硫 污 染 控 制 技术 手 册 M . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2001: 204 责 任 编 辑 宋 旭 )(上 接 第 303页 )由 图 7可 见 ,除 了 振 动 速 度 略 有 变 大外 ,其 余 8个 点 都 得 以 减 小 ,比 较 明 显 的 就 是 靠 近 尾部 的 ,这 也 说 明 了 采 取 的 改 进 措 施 达 到了 加 强 尾 部 刚 度 的 目 的 结 论 的 迅 速 发 展 使 得 工 程 师 们 可 以 在 计算 机 上 预 测 发 动 机 及 整 车 的 ,还 节 省 了 大量 的 时 间 和 成 本 . 文 中 正 是 基 于 数 值 仿 真 技 术 ,从 发动 机 零 部 件 的 三 维 实 体 建 模 到 多 体 动 力 学 仿 真 、 有限 元 强 迫 振 动 计 算 及 边 界 元 辐 射 声 场 预 测 ,发 现 原机 体 的 刚 度 分 布 不 均 匀 ,不 仅 自 身 振 动 剧 烈 ,还 把 这些 激 励 传 递 给 连 接 在 机 体 上 的 油 底 壳 、 齿 轮 室 盖 等部 件 . 以 提