發(fā)動機(jī)振動噪聲預(yù)測中有限元技術(shù)的應(yīng)用

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著人們的生活水平的提高以及人們環(huán)保意識的不斷的加強(qiáng),發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方面的問題也逐漸走進(jìn)人們的視野,并以法律法規(guī)等制度作為規(guī)范保證日益走向科學(xué)化的道路。而且對相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響,特別是汽車行業(yè),同時發(fā)動機(jī)功率也變得越來越強(qiáng),與此同時在提高發(fā)動機(jī)輸出功率方面可以從以下方面入手。即改變?nèi)齻€參數(shù),具體來說就是負(fù)荷、尺寸和轉(zhuǎn)速。這些對于振動噪聲而言,其影響也是非常重要的。其實(shí)改變參數(shù)方面最先考慮的就是轉(zhuǎn)速,不過轉(zhuǎn)速的立方與噪聲強(qiáng)度升高的關(guān)系是正比例的關(guān)系,因此說著會使得發(fā)動機(jī)噪聲出現(xiàn)驟然升高的局面。為了解決噪聲問題,所以世界上許多的國家只能夠以硬性的法律法規(guī)手段來約束。在歐洲,歐共體就公路車輛的噪聲出臺了一些法律法規(guī),其中一條是基于ISO汽車檢測程序管控下,對于發(fā)動機(jī)噪聲實(shí)施測量,其方法就是在最大轉(zhuǎn)速最大載荷下加速運(yùn)動時的噪聲最大值。而在高速柴油機(jī)方面,相關(guān)研究顯示,假設(shè)發(fā)動機(jī)噪聲的主要來源是燃燒噪聲,那么對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖洗能設(shè)計(jì)就是降低其噪聲的唯一的方式。如果從更大的范圍來看,即若活塞的拍擊與機(jī)械沖擊是其主要的,那么可以采用對結(jié)構(gòu)實(shí)施重新設(shè)計(jì)的方法。所以從上述分析來看,最為有效的降低噪音以及振動是采用發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)。

1關(guān)于有限元模型有限元網(wǎng)格

基于402個節(jié)點(diǎn)以及618個單元組成的,涉及實(shí)體單元19個,梁單元182個,角形平板單元72個,以及參平板單元345個。對于發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)來說它可以分為5個部分,即氣缸蓋、4個缸套組群、氣缸體和主軸承蓋,不過缸體呈現(xiàn)不對稱形式,而且具有諸多的加強(qiáng)筋,基于更好的利用有限元模型以及工作量的減低,則可以重復(fù)利用缸體的多處網(wǎng)格。通常情況下,以梁單元來代表加強(qiáng)筋,不過需要注意的是板單元與梁單元的邊界條件,因?yàn)樗麄兪谴怪标P(guān)系,不同單元的自由度是不同的。有限元分析中質(zhì)量和剛度是缸蓋的一個非常重要的問題,而對于平板的厚度的確定則是由其它方面來確定的,即靜態(tài)變形實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)材料強(qiáng)度。需要注意的是未安裝缸蓋時,保證缸體上部的剛度遠(yuǎn)大于下部,因此實(shí)施發(fā)動機(jī)有限元模擬時,相對于缸體上部,其余部分的網(wǎng)格是實(shí)行的精細(xì)化的劃分。其實(shí)下部的振動特性以及變形遠(yuǎn)比上部重要。

2 靜態(tài)分析

對于每一個氣缸燃燒室而言,其上表面由缸蓋形成,而汽缸墊是用于密封缸蓋與缸體之間的縫隙的。而且其作用是多方面的,譬如密封冷卻水以及潤滑油等,與此同時汽缸墊還需要承受連接處的熱變形以及機(jī)械變形等,基于對密封效果的考慮,需要保證施加在汽缸墊上的壓力的一致性。這牽涉到缸蓋螺釘?shù)念A(yù)緊,由于此問題的復(fù)雜性造成了優(yōu)化預(yù)緊螺釘?shù)碾y度。通常情況是擰緊螺釘,缸體就會相應(yīng)的發(fā)生變化,從而造成振動和噪聲問題,因此要對缸體實(shí)施靜態(tài)分析,若汽缸蓋螺釘預(yù)緊,不同的預(yù)緊力是如何的。氣缸墊和螺釘均可在有限元模型中表示,進(jìn)行預(yù)緊的話就會產(chǎn)生汽缸墊載荷以及均勻施加在去哪不螺釘上的壓力載荷,至于壓力的大小則是由數(shù)據(jù)給出,螺釘?shù)臄Q緊力矩才是唯一性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且可以計(jì)算出其壓力數(shù)據(jù)的。除此之外,若主軸承的中心不能夠在一直線上,則主軸承、軸承蓋與曲軸間會形成一種摩擦力,這種力進(jìn)而引起曲軸箱的振動,同時輻射出噪聲。因此應(yīng)盡可能的減少中間主軸承于中心線的變形。可以通過實(shí)驗(yàn)來獲取偏差,同時繪制計(jì)算機(jī)程序?qū)嵤┯?jì)算以及分析,在這個過程中運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)條件下相同公式,而且其分析數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)是具有很高的吻合性的?；诙卟罹嗍窃谝欢ǚ秶鷥?nèi)的,運(yùn)用有限元模型,對加強(qiáng)筋的位置進(jìn)行修正等,從而減少主軸承中心線的偏差。從中心線偏差的靜態(tài)試驗(yàn)可知,僅僅很小調(diào)整發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu),即可以減低振動噪聲。

3動態(tài)分析

首先測試有機(jī)體動態(tài)模型,進(jìn)而測試整體發(fā)動機(jī),通過相關(guān)的試驗(yàn)以及甲酸的數(shù)據(jù)可以得知,它們具有較好的相關(guān)性。需要注意的是僅垂直于機(jī)體外表面的振動才可以輻射出噪聲,因此確定機(jī)體結(jié)構(gòu)彎曲模態(tài)變形很是重要。從加強(qiáng)強(qiáng)度這一方面來說,豎直方向的剛度作用很大,而發(fā)動機(jī)噪聲問題的契機(jī)是水平方向剛度,因?yàn)樗矫嫔系膹澢冃螘斐汕S箱上形成垂直方向振動。其實(shí)若振動方向與機(jī)體表面平板垂直,即便是較小的振動也會造成強(qiáng)烈的噪聲。其波形基本分為三類,即4個主要模態(tài),5個裙部平板模態(tài),3個局部模態(tài),由其模態(tài)振型可知,由上到下缸體的剛度依次遞減,也就是說機(jī)體底部振動會輻射出噪聲,從而引起油底殼的振動,同時把站東傳至車身,所以說實(shí)施分析機(jī)體裙部的模態(tài)時,要優(yōu)化發(fā)動機(jī)安裝位置,同時還要增加加強(qiáng)筋,為了降低振幅還需要研究第2個主軸承的模態(tài)振型。在此為了較好的了解發(fā)動機(jī)的模態(tài)振型,可以利用模態(tài)動畫,并可以在影像膠卷上實(shí)施模態(tài)動畫分析。由分析可知,對于振動和噪聲級別而言,一部分基本的彎曲模態(tài)變形是非常重要的。運(yùn)用有限元的方法制定簡易模型,通過它來分析計(jì)算基本扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型和彎曲模態(tài)振型,其優(yōu)點(diǎn)是誤差較小,并且構(gòu)建以及分析也非常的方便。

4優(yōu)化調(diào)整發(fā)動機(jī)振動

對于降低噪聲而言,通過降低發(fā)動機(jī)曲軸箱底部的振動是非常有效的。因此可以安裝具有較大剛度以及質(zhì)量的一個底盤,以此限制曲軸箱裙部的過大的變形,從而降低噪聲。在機(jī)體有限元模擬中,對底盤也做出了一個模型,通過優(yōu)化調(diào)整底盤的質(zhì)量以及厚度、剛度等來滿足質(zhì)量以及振動要求。底盤的設(shè)計(jì)以及安裝對于曲軸箱裙部的振動具有較強(qiáng)的抑制作用,并且可以減低油底殼形成的噪聲。通過分析可以獲取了底盤的優(yōu)化形狀,同時對發(fā)動機(jī)實(shí)施測量以及實(shí)驗(yàn),顯示振動減少了3dB,由此可見底盤降低噪聲的作用是非常明顯的。由增加發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)剛度來降低噪聲,因?yàn)檫@一方法提升了振動的固有頻率。

5結(jié)論

在發(fā)動機(jī)震動哦造神預(yù)測中不僅能夠通過簡單的有限元模型獲取較好的模態(tài)特征,同時這一模型對于優(yōu)化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)方面也具有重要作用。因此利用有限元模型修正發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會在很大程度上減低發(fā)動機(jī)噪聲,而且經(jīng)濟(jì)。

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