基于FEMBEM的柴油發(fā)動機輻射噪聲預(yù)測

FEM/BEM的柴油發(fā)動機輻射噪聲預(yù)測s隨著人們生活水平的不斷改善，對環(huán)境噪聲的要求越來越高，而發(fā)動機噪聲作為汽車噪聲的最主要來源，也越來越成為國內(nèi)外的研究熱點。發(fā)動機噪聲按照噪聲的產(chǎn)生方式分為燃燒噪聲、機械噪聲及氣體動力噪聲。燃燒噪聲產(chǎn)生于氣缸內(nèi)氣體壓力由于燃燒而引起的周期性的變化；機械噪聲由運動部件之間及運動件與固定件之間機械作用的周期性變化而產(chǎn)生；氣體動力噪聲則包括進、排氣系統(tǒng)和風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪聲。燃燒噪聲和機械噪聲通過發(fā)動機表面向外輻射，故又稱之為發(fā)動機表面噪聲，是發(fā)動機噪聲的最主要的貢獻源[1]。對于發(fā)動機表面噪聲控制而言，若在發(fā)動機設(shè)計階段就考慮低振動低噪聲要求，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和激勵傳遞途徑角度出發(fā)開展設(shè)計工作，就能從根本上表面振動噪聲預(yù)測常采用兩種方法：一種是通過試驗測得發(fā)動機表面上有代表性的測點的振動數(shù)據(jù)來進行預(yù)測，該方法廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機振動部件表面的聲學(xué)預(yù)測及噪聲源的識別[2]；另一種是采用計算機虛擬試驗的方法，即基于FEM／BEM分析的預(yù)測方法。該方法隨著近年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展本文集多體動力學(xué)法、有限元法、聲學(xué)邊界元法于一體，系統(tǒng)地對某型發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)輻射噪聲特性進行預(yù)測和分析。本文先運用AVL公司的Excitepowerunit軟件對發(fā)動機整機進行動態(tài)響Lab軟件采用邊界元法對殼體進行輻射噪聲數(shù)值仿真與分析，指導(dǎo)發(fā)動機的設(shè)計工作。本文中發(fā)動機模型未包含動力總成的傳動機構(gòu)部件和進、排氣系統(tǒng)部件，主要包括缸體、缸蓋、缸套、主軸承蓋、飛輪罩殼、油底殼、正時罩、缸網(wǎng)格，并借助Hypermesh進行局部修改劃分四面體網(wǎng)格，并生成高階單元，缸套和主軸瓦網(wǎng)格為滿足網(wǎng)格。缸蓋與缸體的結(jié)合面采用面—面耦合的方式連接。其他薄壁件接合采用螺栓連接處主自由度節(jié)點耦合方式。發(fā)動機通過懸置進行約束，文中建立的懸置參數(shù)參照AVL推薦的橡膠懸置的剛度和阻尼等參數(shù)給定。發(fā)動機材料參數(shù)如表1所示:料楊氏模量(MPa)泊松比度(kg/m3)油底殼鋼板2100007850缸體、缸蓋HT250.277280正時罩、缸蓋罩鑄鋁00042650軸承座QT500.297300發(fā)動機內(nèi)部存在著各種形式的激勵，激勵力作用在發(fā)動機結(jié)構(gòu)上，以能量的方式傳遞到發(fā)動機表面，結(jié)構(gòu)表面振動帶動氣體分子振動，將能量傳遞到大氣中，形成結(jié)構(gòu)輻射噪聲。要進行輻射噪聲預(yù)測，需要確定計算邊界條件，即發(fā)動機工作過程中承受的主要激勵力。本文主要考慮了燃?xì)鈮毫Α⒅鬏S承力、活塞敲擊力以及閥系作用力等激勵力。其中，燃?xì)鈮毫τ梢痪S仿真軟件Boost計算結(jié)果提供，主軸承力在整機動力學(xué)計算當(dāng)中可直接得到。而活塞敲擊力及閥系作用力需搭建相關(guān)的活塞動力學(xué)模型及閥系動力學(xué)模型計算得到?；钊麆恿W(xué)模型中包括缸套、活塞、活塞環(huán)組、活塞銷及連桿。圖2所示為主推力側(cè)某點活塞敲擊力計算結(jié)果?；?000活500N/力0擊敲-500塞-2000090180270360450540630720曲軸轉(zhuǎn)角/。圖2活塞敲擊力曲線本文研究的直列四缸機采用凸輪軸中置式配氣機構(gòu)，包含雙進氣門、雙排氣門。氣門彈簧剛度為承力、氣門受力、氣門彈簧力及搖臂軸承力。凸輪軸承力作用在缸體凸輪軸孔座中心節(jié)點上，氣門力等效地施加在缸蓋氣門座圈安裝孔中心節(jié)點，彈簧力按實際作用位置加載，搖臂軸承力作用在各搖臂軸中心位置。元求解器采用模態(tài)綜合法對柔性體進行模態(tài)壓縮，用少數(shù)低階模態(tài)來反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，在每一個柔性體中都包含若干階模態(tài)信息，其中包含表征結(jié)構(gòu)部件固有特征的質(zhì)量和剛度矩陣[3]。本文采用AVLExcitePowerUnit軟件進行發(fā)動主軸承座、軸承、缸體、缸蓋、懸置等部件模塊，建立好各個模塊的連接，得到曲軸多體動力學(xué)模型分析發(fā)動機在各種激勵力作用下的強迫振動響應(yīng)，得到整機振動結(jié)果。在做聲學(xué)邊界元計算時，重點關(guān)注發(fā)動機表面的振動速度情況，鑒于發(fā)動機表面的振動結(jié)果進行恢復(fù)。圖4為標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下 面振動速度級云圖(速度基準(zhǔn)按ISO1683取之間。從圖中可以看出，油底殼、正時罩及飛輪罩三大薄壁件上局部區(qū)域表面振動速度較大。圖4發(fā)動機表面振動速度分布(mm/s)學(xué)邊界元計算分析對于已知結(jié)構(gòu)表面法向振速的輻射體，可以通過Helmholtz積分方程求得輻射體表面及聲場內(nèi)各場點聲壓[4]：C(x)p(x)n輻射體表面，且表面光滑，則C(x)=0.5。獲得的各個節(jié)點的法向振動速度。在獲得表面節(jié)點聲壓列向量后，即得到空間任意場點處的聲壓p=-Hp+Gv，式中H，G為系數(shù)行向量，peeeeev建模在發(fā)動機結(jié)構(gòu)有限元基礎(chǔ)上生成聲學(xué)邊界元網(wǎng)格包但同時需要消耗的計算機資源也越多，運算時間也更長。在劃分網(wǎng)格時，聲學(xué)邊界元單元尺寸小于或2.3發(fā)動機聲學(xué)仿真在小壓力擾動情況下，可以認(rèn)為聲學(xué)方程式線性的，因此可以在輸入(機械結(jié)構(gòu)表面處的振動)和輸出(聲場中某點處的聲壓)之間建立一種線性聲場中某點處的聲壓為p=ATV(o)Tvn(o)ATV——聲學(xué)傳遞向量(AcousticTransfern通過聲傳遞向量，將聲場中某點處的聲壓與模意義可以理解為單元或節(jié)點在特定頻率下的單位速度在場點上引起的聲壓值。聲傳遞向量與以下幾個數(shù)(速度、密度)等。本文借助LMSVirtualLab軟件進行發(fā)動機聲學(xué)算中獲得的發(fā)動機表面振動速度映射到聲學(xué)網(wǎng)格上，設(shè)置聲學(xué)邊界條件。在軟件中建立一個球形包絡(luò)的級率功聲級率功聲程中心頻率270Hz下的發(fā)動機輻射噪聲場點聲壓級92.0187.5687.886.31缸體缸蓋飛輪罩殼油底殼正時罩得之前定義的各個板塊對發(fā)動機聲功率的貢獻量，輻射聲功率級(功率基準(zhǔn)為1e-12W),得到整機在中2500~3000r/min的中小功率柴油發(fā)動機，其聲功率況下，本款柴油機輻射聲功率值滿足該要求，但仍然存在減振降噪的空間。為了找到最大噪聲源，在發(fā)動機表面按不同的部件定義了不同的面板組。圖2500~3000r/min的中小功率柴油發(fā)動機，其聲功率況下，本款柴油機輻射聲功率值滿足該要求，但仍然存在減振降噪的空間。為了找到最大噪聲源，在發(fā)動機表面按不同的部件定義了不同的面板組。圖8為各部件的輻射聲9.4%正時罩功率值。從圖中可以看出，缸體表面輻射聲功率為86.31dB功率值。從圖中可以看出，缸體表面輻射聲功率為86.31dB；缸蓋表面輻射聲功率為92.01dB；飛輪罩表面輻射聲功率為87.56dB；輻射聲功率最大的為油底殼(未考慮裝有機油情況時，與實際情況存本文以某直列四缸機