發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)中有限元技術(shù)的應(yīng)用

2016-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)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(shí)的不斷的加強(qiáng),發(fā)動(dòng)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(duì)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率也變得越來(lái)越強(qiáng),與此同時(shí)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率方面可以從以下方面入手。即改變?nèi)齻€(gè)參數(shù),具體來(lái)說(shuō)就是負(fù)荷、尺寸和轉(zhuǎn)速。這些對(duì)于振動(dòng)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(shuō)著會(huì)使得發(fā)動(dòng)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(guó)家只能夠以硬性的法律法規(guī)手段來(lái)約束。在歐洲,歐共體就公路車輛的噪聲出臺(tái)了一些法律法規(guī),其中一條是基于ISO汽車檢測(cè)程序管控下,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲實(shí)施測(cè)量,其方法就是在最大轉(zhuǎn)速最大載荷下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源是燃燒噪聲,那么對(duì)發(fā)動(dòng)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(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施重新設(shè)計(jì)的方法。所以從上述分析來(lái)看,最為有效的降低噪音以及振動(dòng)是采用發(fā)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)以及618個(gè)單元組成的,涉及實(shí)體單元19個(gè),梁?jiǎn)卧?82個(gè),角形平板單元72個(gè),以及參平板單元345個(gè)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)它可以分為5個(gè)部分,即氣缸蓋、4個(gè)缸套組群、氣缸體和主軸承蓋,不過缸體呈現(xiàn)不對(duì)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?jiǎn)卧獊?lái)代表加強(qiáng)筋,不過需要注意的是板單元與梁?jiǎn)卧倪吔鐥l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(gè)非常重要的問題,而對(duì)于平板的厚度的確定則是由其它方面來(lái)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(shí),保證缸體上部的剛度遠(yuǎn)大于下部,因此實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模擬時(shí),相對(duì)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(dòng)特性以及變形遠(yuǎn)比上部重要。

2 靜態(tài)分析

對(duì)于每一個(gè)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(rùn)滑油等,與此同時(shí)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(duì)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(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化,從而造成振動(dòng)和噪聲問題,因此要對(duì)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(huì)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(huì)形成一種摩擦力,這種力進(jìn)而引起曲軸箱的振動(dòng),同時(shí)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?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取偏差,同時(shí)繪制計(jì)算機(jī)程序?qū)嵤┯?jì)算以及分析,在這個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)是具有很高的吻合性的。基于二者差距是在一定范圍內(nèi)的,運(yùn)用有限元模型,對(duì)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),即可以減低振動(dòng)噪聲。

3動(dòng)態(tài)分析

首先測(cè)試有機(jī)體動(dòng)態(tài)模型,進(jìn)而測(cè)試整體發(fā)動(dòng)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(dòng)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(lái)說(shuō),豎直方向的剛度作用很大,而發(fā)動(dòng)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?huì)造成曲軸箱上形成垂直方向振動(dòng)。其實(shí)若振動(dòng)方向與機(jī)體表面平板垂直,即便是較小的振動(dòng)也會(huì)造成強(qiáng)烈的噪聲。其波形基本分為三類,即4個(gè)主要模態(tài),5個(gè)裙部平板模態(tài),3個(gè)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(shuō)機(jī)體底部振動(dòng)會(huì)輻射出噪聲,從而引起油底殼的振動(dòng),同時(shí)把站東傳至車身,所以說(shuō)實(shí)施分析機(jī)體裙部的模態(tài)時(shí),要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置,同時(shí)還要增加加強(qiáng)筋,為了降低振幅還需要研究第2個(gè)主軸承的模態(tài)振型。在此為了較好的了解發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)振型,可以利用模態(tài)動(dòng)畫,并可以在影像膠卷上實(shí)施模態(tài)動(dòng)畫分析。由分析可知,對(duì)于振動(dòng)和噪聲級(jí)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(jiǎn)易模型,通過它來(lái)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(dòng)機(jī)振動(dòng)

對(duì)于降低噪聲而言,通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱底部的振動(dòng)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(gè)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(duì)底盤也做出了一個(gè)模型,通過優(yōu)化調(diào)整底盤的質(zhì)量以及厚度、剛度等來(lái)滿足質(zhì)量以及振動(dòng)要求。底盤的設(shè)計(jì)以及安裝對(duì)于曲軸箱裙部的振動(dòng)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(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施測(cè)量以及實(shí)驗(yàn),顯示振動(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)剛度來(lái)降低噪聲,因?yàn)檫@一方法提升了振動(dòng)的固有頻率。

5結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)哦造神預(yù)測(cè)中不僅能夠通過簡(jiǎn)單的有限元模型獲取較好的模態(tài)特征,同時(shí)這一模型對(duì)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)在很大程度上減低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,而且經(jīng)濟(jì)。

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