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)03-0210-04Prediction m et hod of radiated noise by engi ne blockLI N Qiong 1,HAO Zh i -yong 1,JI A W ei -x in 1,LIU H ong2(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 sc3211h3co s( + )cos( + )d(1)f y= RL3v sc3211h3cos( + )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212第29卷发压力、活塞侧向力、主轴承力.其中爆发压力是由试验测量得到的,活塞敲击力和主轴承力是通过前面多体动力学分析得到的.缸内爆发压力载荷作用到缸盖的底面.活塞侧向力的值在发动机工作循环内是随曲轴转角变化的,而且作用点的位置也是随时间变化的.活塞在上止点附近对主推力侧的敲击力要远远大于在其他时刻的侧向力,因此假设活塞对缸套主推力侧的侧向力作用点在活塞敲击点处.主轴承载荷本应该是压力载荷,在有限元法中压力载荷要施加在网格表面上,而一个网格表面上同一时刻压力是不均匀分布的,若对每一个单元施加这种不均布的载荷是相当复杂的.这里对主轴承载荷做了一些简化,将压力转换成力施加到主轴承中间位置.由于有限元计算在频域内进行,而上面的爆发压力,以及由多体动力学分析得到的活塞侧向力和主轴承力均是时域信号,因此在M atlab中对这些载荷进行傅立叶变换,得到相应的频域信号,为了在频域中表达载荷的时间量,频域载荷均采用复数形式.3 机体的声学仿真分析结构表面辐射噪声是由于结构振动产生的,因此可以把发动机机体和周围的空气看作一个声学系统,由于只有结构振动的法向分量才会产生声波,声学系统的离散化方程可以表示为p=[A tv( )]T v n( )(3)式中p为声压;A tv( )为声音传递向量; 为对应的频率;v n( )为结构表面振动的法向速度.根据线性系统理论,A tv( )仅是由声学系统的特性决定,因此在机体-空气这一声学系统中,决定A tv( )的因素就是机体的几何形状,空气的特性和麦克风的位置.在Sysno ise中是利用直接边界元方法来计算机体表面振动到场点声压的传递关系,因此在声学预测时只需建立机体和曲轴箱的包络外表面,对该表面划分边界元网格.在声学分析中,有限元网格尺寸大于4~6倍声波波长,就可以得到较高的精度,按照这一原则,声学分析模型的网格尺寸应由计算频率的上限来确定,文中的模型可以计算到上限频率4000H z.4 预测数据与试验数据的比较为验证该预测方法的精确度,对发动机台架试验得到的机体上某些点的振动加速度值与虚拟预测方法得到的对应点的加速度值比较,图2为曲轴箱上一点和机体左侧上部一点两种方法得到的振动加速度曲线的比较.图2 试验测量振动加速度值与有限元预测分析结果比较F i g.2 Co m pa rison o f v i brati on acce lera ti on o ftest and FE M result由图2可知,虚拟预测方法得到的振动数据与发动机的实际振动情况比较吻合.另外通过试验测量发动机机体表面法向振动速度的值,采用振动速度法估测发动机表面辐射的噪声值,将该值与声学仿真法计算得到的值比较,结果如图3所示,两条曲线吻合得较好.采用振动速度法估测250~4000H z 频率范围内A计权总声功率级为104.4dB,声学仿真法得到的总声功率级为104.8dB.图3 表面振动速度法与虚拟预测法机体辐射噪声比较F ig.3 Co m parison of radiati ve no i se o f surface v i brati onveloc it y m ethod and FE M m et hod通过前面对振动与辐射噪声特性的比较,说明第3期 林 琼等:发动机机体振动噪声的预测方法213所研究的预测方法具有较高的精度,完全可以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.5 预测数据分析5.1 振动预测数据分析由于在预测振动噪声时,为了减少每次改进设计的计算时间,与机体连接的薄壁件没有考虑在内,因此,对于机体振动水平的评价,通常以能够降低机体上与薄壁件(如油底壳,齿轮室罩等)连接点处的振动为依据,因为机体上这些连接点处的振动正是这些薄壁件的激励源,这些点处的振动降低了,必然会降低这些薄壁件辐射的噪声.若考虑机体对油底壳激励引起的油底壳辐射噪声,可以用机体与油底壳连接点处的平均振动加速度作为评价指标,图4为曲轴箱右侧面与油底壳连接点处平均振动加速度曲线.这些评价指标可以为虚拟改进设计提供改进效果的评判依据.图4 曲轴箱右侧面与油底壳连接点处平均振动加速度曲线F i g .4 A verage v i bra ti on acce lera ti on curv e at r i ghtsi de face of crankshaft box and o il pan5.2 声学预测数据分析通过声学预测得到的机体结构表面辐射的声功率级曲线如图5所示,图中在2200H z 和2600H z 附近时机体辐射噪声较大,因此机体结构改进应主要着眼于这两个频率.图6为在2236H z 和2621H z 时机体结构表面法向振动速度的云图,从图中可以明显看到在2236H z 时机体右侧上部是主要的噪声辐射部位,在2621H z 时右侧裙部和曲轴箱是主要噪声辐射部位.这样以降低机体辐射噪声为目的的机体结构改进就可以建立在对辐射声功率和结构表面法向振动速度云图分析的基础上.通过辐射声功率可以找到机体主要辐射噪声的频率,通过法向振动速度云图可以确定机体上主要的辐射噪声部位,另外辅助以有限元分析得到的振动形态,就可以为工程技术人员提供对机体结构进行低噪声改进的有利信息.图5 机体结构表面辐射的声功率级曲线F i g .5 Sound po w er leve l curve of eng ine body surface radiation图6 机体表面法向振动速度云图F ig .6 V ertica l v i bra ti on ve locity nephog ra m o f eng i ne body6 结 论结合与潍柴动力合作进行发动机低噪声改进的项目,对机体振动噪声预测方法进行了研究,提出了一种既高效又满足一定精度的多体动力学-有限元法-声学分析法相结合的集成预测方法,详细介绍了各步骤的分析过程.通过与试验数据的比较,证明该预测方法具有较高的预测精度.另外简要介绍了对预测数据的分析方法,从而可以应用该方法有效的指导发动机机体的低噪声改进设计.参考文献(R eferences)[1] 贾维新,郝志勇,杨金才.6108G 型柴油机机体虚拟改进设计及性能预测[J].内燃机工程,2005,26(3):16-19.(下转第217页)第3期 陈雪梅等:驾驶员制动速度与生理反应的混合效应模型21751.0048.模型总体估计值的误差变动为21.7984.由此可知,车距障碍物距离对最大制动踏板速度的影响作用大于行车速度的影响作用.4 结 论综合考虑初始设定分别为40,50,60,70m的车距障碍物距离,40,50,60,70,75km/h的行驶车速等因素,建立混合效应模型.对同时受行车环境影响、且二者之间存在关联的制动速度与生理反应关系进行分析,为进一步分析紧急状况下驾驶行为寻求新的方法.参考文献(R eferences)[1] Satoru T sutsu,i T akash i Y oneka w a.D ri ve r s character-istics o f avo idance m aneuver[R].T oy ota T echnical R e-vie w,1995,45(1):57-61.[2] T suyo shiM oriya m a,T akash i Y oneka w a.A study o f e-me rgency m aneuve rability[R].T oyo t a T echn icalR evie w,1995,45(1):49-55.[3] 陈雪梅,高 利,王素欣,等.基于行驶避撞紧急度的车辆运动模糊控制[J].江苏大学学报:自然科学版,2006,27(6):497-500.C HEN X ue-m e,i GAO L,i W ANG Su-x i n,et a.l Fuzzycontro l on veh icle m o tion based on avo i dance urgent de-g ree[J].Journal 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