基于FEMBEM的柴油发动机辐射噪声预测

FEM/BEM的柴油发动机辐射噪声预测s随着人们生活水平的不断改善，对环境噪声的要求越来越高，而发动机噪声作为汽车噪声的最主要来源，也越来越成为国内外的研究热点。发动机噪声按照噪声的产生方式分为燃烧噪声、机械噪声及气体动力噪声。燃烧噪声产生于气缸内气体压力由于燃烧而引起的周期性的变化；机械噪声由运动部件之间及运动件与固定件之间机械作用的周期性变化而产生；气体动力噪声则包括进、排气系统和风扇所产生的噪声。燃烧噪声和机械噪声通过发动机表面向外辐射，故又称之为发动机表面噪声，是发动机噪声的最主要的贡献源[1]。对于发动机表面噪声控制而言，若在发动机设计阶段就考虑低振动低噪声要求，从结构设计和激励传递途径角度出发开展设计工作，就能从根本上表面振动噪声预测常采用两种方法：一种是通过试验测得发动机表面上有代表性的测点的振动数据来进行预测，该方法广泛应用于内燃机振动部件表面的声学预测及噪声源的识别[2]；另一种是采用计算机虚拟试验的方法，即基于FEM／BEM分析的预测方法。该方法随着近年来计算机技术的迅猛发展本文集多体动力学法、有限元法、声学边界元法于一体，系统地对某型发动机结构振动和结构辐射噪声特性进行预测和分析。本文先运用AVL公司的Excitepowerunit软件对发动机整机进行动态响Lab软件采用边界元法对壳体进行辐射噪声数值仿真与分析，指导发动机的设计工作。本文中发动机模型未包含动力总成的传动机构部件和进、排气系统部件，主要包括缸体、缸盖、缸套、主轴承盖、飞轮罩壳、油底壳、正时罩、缸网格，并借助Hypermesh进行局部修改划分四面体网格，并生成高阶单元，缸套和主轴瓦网格为满足网格。缸盖与缸体的结合面采用面—面耦合的方式连接。其他薄壁件接合采用螺栓连接处主自由度节点耦合方式。发动机通过悬置进行约束，文中建立的悬置参数参照AVL推荐的橡胶悬置的刚度和阻尼等参数给定。发动机材料参数如表1所示:料杨氏模量(MPa)泊松比度(kg/m3)油底壳钢板2100007850缸体、缸盖HT250.277280正时罩、缸盖罩铸铝00042650轴承座QT500.297300发动机内部存在着各种形式的激励，激励力作用在发动机结构上，以能量的方式传递到发动机表面，结构表面振动带动气体分子振动，将能量传递到大气中，形成结构辐射噪声。要进行辐射噪声预测，需要确定计算边界条件，即发动机工作过程中承受的主要激励力。本文主要考虑了燃气压力、主轴承力、活塞敲击力以及阀系作用力等激励力。其中，燃气压力由一维仿真软件Boost计算结果提供，主轴承力在整机动力学计算当中可直接得到。而活塞敲击力及阀系作用力需搭建相关的活塞动力学模型及阀系动力学模型计算得到。活塞动力学模型中包括缸套、活塞、活塞环组、活塞销及连杆。图2所示为主推力侧某点活塞敲击力计算结果。活1000活500N/力0击敲-500塞-2000090180270360450540630720曲轴转角/。图2活塞敲击力曲线本文研究的直列四缸机采用凸轮轴中置式配气机构，包含双进气门、双排气门。气门弹簧刚度为承力、气门受力、气门弹簧力及摇臂轴承力。凸轮轴承力作用在缸体凸轮轴孔座中心节点上，气门力等效地施加在缸盖气门座圈安装孔中心节点，弹簧力按实际作用位置加载，摇臂轴承力作用在各摇臂轴中心位置。元求解器采用模态综合法对柔性体进行模态压缩，用少数低阶模态来反映复杂结构的动力学特性，在每一个柔性体中都包含若干阶模态信息，其中包含表征结构部件固有特征的质量和刚度矩阵[3]。本文采用AVLExcitePowerUnit软件进行发动主轴承座、轴承、缸体、缸盖、悬置等部件模块，建立好各个模块的连接，得到曲轴多体动力学模型分析发动机在各种激励力作用下的强迫振动响应，得到整机振动结果。在做声学边界元计算时，重点关注发动机表面的振动速度情况，鉴于发动机表面的振动结果进行恢复。图4为标定转速工况下 面振动速度级云图(速度基准按ISO1683取之间。从图中可以看出，油底壳、正时罩及飞轮罩三大薄壁件上局部区域表面振动速度较大。图4发动机表面振动速度分布(mm/s)学边界元计算分析对于已知结构表面法向振速的辐射体，可以通过Helmholtz积分方程求得辐射体表面及声场内各场点声压[4]：C(x)p(x)n辐射体表面，且表面光滑，则C(x)=0.5。获得的各个节点的法向振动速度。在获得表面节点声压列向量后，即得到空间任意场点处的声压p=-Hp+Gv，式中H，G为系数行向量，peeeeev建模在发动机结构有限元基础上生成声学边界元网格包但同时需要消耗的计算机资源也越多，运算时间也更长。在划分网格时，声学边界元单元尺寸小于或2.3发动机声学仿真在小压力扰动情况下，可以认为声学方程式线性的，因此可以在输入(机械结构表面处的振动)和输出(声场中某点处的声压)之间建立一种线性声场中某点处的声压为p=ATV(o)Tvn(o)ATV——声学传递向量(AcousticTransfern通过声传递向量，将声场中某点处的声压与模意义可以理解为单元或节点在特定频率下的单位速度在场点上引起的声压值。声传递向量与以下几个数(速度、密度)等。本文借助LMSVirtualLab软件进行发动机声学算中获得的发动机表面振动速度映射到声学网格上，设置声学边界条件。在软件中建立一个球形包络的级率功声级率功声程中心频率270Hz下的发动机辐射噪声场点声压级92.0187.5687.886.31缸体缸盖飞轮罩壳油底壳正时罩得之前定义的各个板块对发动机声功率的贡献量，辐射声功率级(功率基准为1e-12W),得到整机在中2500~3000r/min的中小功率柴油发动机，其声功率况下，本款柴油机辐射声功率值满足该要求，但仍然存在减振降噪的空间。为了找到最大噪声源，在发动机表面按不同的部件定义了不同的面板组。图2500~3000r/min的中小功率柴油发动机，其声功率况下，本款柴油机辐射声功率值满足该要求，但仍然存在减振降噪的空间。为了找到最大噪声源，在发动机表面按不同的部件定义了不同的面板组。图8为各部件的辐射声9.4%正时罩功率值。从图中可以看出，缸体表面辐射声功率为86.31dB功率值。从图中可以看出，缸体表面辐射声功率为86.31dB；缸盖表面辐射声功率为92.01dB；飞轮罩表面辐射声功率为87.56dB；辐射声功率最大的为油底壳(未考虑装有机油情况时，与实际情况存本文以某直列四缸机