发动机机体振动噪声的预测方法

2008年5月M ay 2008

第29卷 第3期V o.l 29 N o .3

发动机机体振动噪声的预测方法

林 琼1

,郝志勇1

,贾维新1

,刘 宏

2

(1.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027; 2.杭州汽车发动机厂技术中心,浙江杭州310005)

摘要:采用综合多体动力学-有限元法-声学分析法的集成预测方法,对发动机机体振动噪声的预测方法进行了研究,并详细介绍了该方法的分析流程.通过多体动力学得到作用于机体上的载荷时间历程,用有限元法预测机体表面的振动,通过声学分析法预测机体表面辐射的噪声.将振动和

声学预测数据与试验数据进行比较,结果表明该方法可以准确预测机体的振动噪声水平,可用于机体的虚拟改进设计.

关键词:发动机机体;振动噪声;多体动力学;有限元法;声学仿真法

中图分类号:TN914.3 文献标志码:A 文章编号:1671-7775(2008)03-0210-04

Prediction m et hod of radiated noise by engi ne block

LI N Qiong 1

,HAO Zh i -yong 1

,JI A W ei -x in 1

,LIU H ong

2

(1.C ollege ofM echan i cal and E nergy Eng i neeri ng ,Zheji ang Un i versity ,H angz hou ,Zhe ji ang 310027,Ch i na ;2.H angzhou A uto m oti ve En -

gi n e P l an tT echn i calC enter ,H angzhou ,Zhejiang 310005,C h i na)

Abstract :The predicti o n m ethod o f sound and v i b rati o n o f the eng i n e b l o ck is descri b ed .The integ rated m e t h od co mprises the m ult-i body dyna m ic m ethod (MD M ),fi n ite ele m ent m ethod (FE M )and acoustic si m ulation m ethod (AS M ).By m ult-i body dyna m i c m ethod ,the loads that the eng i n e block is subjected can be obta i n ed ;by FE M the vibration characteristic can be predicted ;and by ASM,the radiated noise of the eng i n e block and the pressure at arbitrary po int i n the m edium can be calc u lated.The co m parison of t h e data fro m predicted quantity and that fro m the test proves that th ism et h od owns a high precision ,and thus can be used to d irect the v irtual desi g n of lo w -no ise engine b l o ck.

Key w ords :eng ine b l o ck;no ise and v i b rati o n ;m u lt-i body dyna m ic m ethod ;finite e le m entm ethod ;

acoustic si m u lation m ethod 收稿日期:2007-10-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575203)

作者简介:林 琼(1981 ),女,福建福州人,博士研究生(w agli n1981@hot m ai.l co m ),主要从事动力机械与车辆振动噪声控制研究.

郝志勇(1955 ),男,陕西绥德人,教授,博士生导师(h aoz y @zju .edu .cn),主要从事内燃机现代设计理论与方法、动力机械与

车辆振动噪声控制研究.

在发动机表面辐射噪声中,机体及其附件辐射噪声占有相当大的比例,而安装到机体上的薄壁件(如气门室罩、正时齿轮室盖、油底壳等)辐射的噪声也是由机体的振动激发的,所以,要降低发动机表面辐射噪声,应首先从机体结构优化入手

[1,2]

.考虑

多种因素的发动机整机预测固然会得到相对准确的结果,但在有些情况下,减少每次改进的预测时间的要求可能要大于对计算精度的要求.一方面随着市

场竞争的需要,加快产品设计周期通常会给发动机厂商带来更多的收益;另一方面是设计工作通常有继承性,新的改进设计通常建立在某次较好的设计的基础上,这样,对某次设计进行快速评价就显得尤其重要.因此,提供一种既高效又能够满足一定精度的预测方法通常是发动机改进设计成功的关键.

发动机的振动噪声预测通常可以采用两种方法,一种是通过有限元模态计算得到发动机各部件的动

第3期 林 琼等:发动机机体振动噪声的预测方法211

态特性,将这些包含动态特性的柔性体模型导入到多体动力学分析中,直接得到机体振动的时间历程,然后转化成频域信号进行声学预测.另一种方法是发动机的部分部件采用柔性体进行多体动力分析,将得到的载荷转换到频域施加到有限元模型中,采用有限元方法进行频域内分析,得到机体表面的振动,然后进行声学预测.笔者对以计算机技术为基础的发动机声学虚拟预测方法在发动机低噪声结构改进设计过程中的应用进行了研究.该方法是集多体动力学分析方法[3-5]、有限元分析方法[6]、声学仿真分析方法[7]为一体的虚拟分析技术,可为发动机结构优化提供重要的信息,保证结构优化向着正确的方向进行.

由于曲轴、润滑油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,若采用刚性体则无法准确预测三者之间的耦合作用,因此为了提高计算精度,同时考虑到计算规模,文中对机体采用了一种刚柔组合模型,曲轴采用柔性模型.而机体上部由于刚度相对较大而采用刚性模型.另外考虑到活塞及连杆的特性对主轴承载荷的影响也较小,因此分析中采用了刚性活塞及连杆.

1 发动机的多体动力学分析

润滑油膜的动态特性对主轴承载荷具有重要影响,但由于润滑油膜具有很强的非线性特征,因此很难准确模拟.到目前为止,主轴承润滑油膜一般有三种模拟形式:线性弹簧阻尼模型,非线性弹簧阻尼模型和流体动力学模型.前两种形式计算量相对较小,但并不能很好地模拟油膜的高度非线性,而流体动力学油膜模型则能够准确反映油膜非线性特性,因此文中采用多体动力学软件ADAM S/Engine提供的轴承流体动力学数学模型进行仿真.图1为曲轴、油膜、主轴承相互作用示意图.通过求解油膜轴承的Reyno l d s方程,从而可以得到由以下公式计算的主轴承压力[3,4]:

f x= RL3v s

c3

2

1

1

h3

co s( + )cos( + )d

(1)

f y= RL3v s

c3

2

1

1

h3

cos( + )sin( + )d

(2)

式中 为润滑油粘度;R为主轴颈半径;L为主轴颈长度;c为主轴颈与轴瓦的间隙;v s为主轴颈的挤压速度; 为挤压速度方向与偏心方向间的夹角;h为油膜厚度

.

图1 油膜轴承示意图

F i g.1 Schema ti c o f bear i ng w it h o il fil m

其中激励源是发动机气缸内的爆发压力以及各运动机构(如活塞、连杆、曲轴等)的惯性力.从而得到活塞敲击力、主轴承载荷的时间历程,这些数据将用于下面的有限元分析中.

2 机体的有限元动态分析

2.1 有限元模型

分析对象为机体和曲轴箱,两者均为详细的三维实体模型,采用10节点四面体单元,共划分了112719个单元,210670个节点.由于缸盖的结构较复杂,而且并不是主要分析对象,因此对缸盖进行简化,采用二维板单元模拟.缸盖与机体及机体与曲轴箱的连接采用自由度耦合的方式.

2.2 约束条件

为了与试验数据进行对比,发动机机体的约束条件模拟发动机在安装条件下处于刚性支撑状态的条件.该发动机的支撑部位分别位于齿轮室罩和飞轮壳的左右两侧,机体与齿轮室罩和飞轮壳通过螺栓连接,因此可以假定机体通过这些连接螺栓被支撑起来.具体模拟方法如下:有限元模型中在机体前后端面上对应齿轮室或飞轮壳与发动机支撑连接的位置添加两个节点,这两个节点约束6个方向的自由度.将机体两个端面上连接螺栓处的节点及这两个刚性约束点采用REB3单元连接到飞轮壳或齿轮室罩的质心对应的点.这样新添加的点以及REB3单元就近似等效于飞轮壳或齿轮室罩结构,约束住新添加的两个节点的6个方向的自由度即相当于发动机通过飞轮壳或齿轮室罩被刚性支撑.

2.3 载荷的处理

作用到机体有限元模型上的载荷有气缸内的爆