搜索不同參數(shù)對壓縮機(jī)殼體噪聲輻射的數(shù)值分析
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
壓縮機(jī)的噪聲輻射最終都是通過殼體的振動輻射出去,為了降低壓縮機(jī)的噪聲,并進(jìn)一步優(yōu)化殼體的聲學(xué)特性,利用數(shù)值模擬方法,在合理簡化模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了殼體模態(tài)分析。然后,研究了不同的參數(shù)(泵體支撐方式,集中力作用方向,殼體形狀、厚度和阻尼)對殼體噪聲輻射的影響,給出了有效降低殼體噪聲輻射的方法,其分析結(jié)果給壓縮機(jī)殼體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。
孟曉宏 金濤 來源:LMS
關(guān)鍵字:CAE 壓縮機(jī) 殼體 噪聲輻射 數(shù)值分析
0 前言
冰箱壓縮機(jī)的噪聲是衡量壓縮機(jī)品質(zhì)的主要指標(biāo)之一,而壓縮機(jī)主要是通過殼體的振動輻射噪聲的,因此研究殼體的振動特性以及噪聲輻射具有較大的意義。
目前冰箱壓縮機(jī)殼體降噪的方法主要采用試驗(yàn)研究的方法,且最常采用的降噪措施為增加殼體的厚度,歸振華利用試驗(yàn)研究的方法研究了兩種不同鋼材和厚度殼體的隔聲效果,但是增加厚度會顯著增加產(chǎn)品成本且試驗(yàn)的方法具有一定盲目性。李洪亮從圓柱殼振動理論入手,將壓縮機(jī)殼體簡化為無限長圓柱殼,并利用形狀系數(shù)進(jìn)行修正,討論了殼體不同參數(shù)對殼體噪聲輻射的影響,但是對于復(fù)雜形狀的壓縮機(jī)殼體分析結(jié)果與實(shí)際偏差較大。因此,數(shù)值模擬對于分析復(fù)雜形狀殼體振動特性是一種很有效的方法。
本文以某往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)的殼體為研究對象,基于有限元分析方法,采用ANSYS軟件建立殼體的有限元模型,SYSNOISE軟件進(jìn)行聲學(xué)分析。提取了殼體的振動模態(tài);然后模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,分析了殼體的厚度,阻尼,形狀,壓縮機(jī)泵體與殼體的連接方式以及力的作用方向?qū)んw噪聲輻射的影響。
1 模態(tài)分析
1.1 有限元模型
本文主要分析不同殼體參數(shù)下的噪聲輻射,因此將壓縮機(jī)的泵體簡化為集中質(zhì)量,以集中力的形式作用于殼體,僅建立壓縮機(jī)殼體及機(jī)腳的模型,幾何模型和有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。邊界條件為約束殼體的剛體位移,載荷為壓縮機(jī)泵體的重力。
(a) 幾何模型 (b) 有限元模型
圖1 殼體的幾何模型和網(wǎng)格模型
1.2殼體模態(tài)分析
為分析殼體的噪聲輻射特性,首先提取了殼體的前10階固有頻率,見表1所示,圖2為殼體的前
8階固有振型?？梢钥闯?前四階固有頻率較低,反映的支座的剛度,從第五階開始反映的是殼體本身的振動特性,其中第8階模態(tài)為非對稱模態(tài)。
表1 殼體前10階固有頻率
圖2 殼體的前8階模態(tài)示意圖
2 殼體的噪聲輻射分析
2.1 泵體支撐方式的影響
往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)泵體常采用的支撐方式有兩種,即懸掛方式和底部支撐方式,如圖3所示,兩種連接方式的受力情況如圖4所示,懸掛方式下殼體作用力在三個(gè)方向具有分量,而支撐方式下殼體僅受軸向力。
圖3 泵體兩種連接方式示意圖
圖4 懸掛方式殼體受力示意圖
圖5 兩種連接方式殼體的輻射聲功率
圖5為兩種連接方式下殼體的輻射聲功率,從圖可以看出,在2000Hz以下兩種連接方式的聲功率幾乎一樣,而在2000Hz-3000Hz和3500Hz-4500Hz頻率范圍內(nèi),底部支撐連接方式下殼體的噪聲輻射明顯低于懸掛方式,因此壓縮機(jī)泵體采用底部支撐連接方式有利于降低壓縮機(jī)的輻射噪聲。
2.2 集中力作用方向的影響
不同的作用力方向?qū)んw的激勵(lì)不同,因此研究力的作用方向?qū)んw的噪聲輻射影響很有必要。本文假設(shè)有三個(gè)方向的力作用于殼體上,分別為徑向力、切向力和軸向力,如圖6所示。
(a) 徑向力作用 (b) 切向力作用 (c) 軸向力作用
圖6 施加在殼體上的三種力
圖7為殼體在三種力作用下的聲功率,由圖可知,徑向力作用下殼體輻射聲功率最大,即徑向力最容易激起殼體的振動,切向力次之,軸向力引起的殼體輻射聲功率最低。由殼體的振型圖可以看出,第5-8階固有振型為殼體的環(huán)向振動,在徑向力作用下很容易激起殼體振動并產(chǎn)生共振,而切向力和軸向力作用下不容易激起殼體振動。因此壓縮機(jī)泵體采用懸掛方式時(shí),受力比較復(fù)雜,三個(gè)方向的力同時(shí)作用,因此殼體噪聲輻射大;而壓縮機(jī)泵體采用底部支撐方式時(shí),受力簡單,僅受軸向力,所以殼體輻射聲功率小。
圖7 不用作用力方向下殼體輻射聲功率
2.3 殼體形狀的影響
殼體噪聲輻射與殼體的固有頻率有著密切關(guān)系,而殼體的形狀則影響著殼體的固有頻率,壓縮機(jī)的殼體分上下殼體,由于下殼體受泵體的限制其形狀變動不大,因此僅考慮上殼體的形狀對殼體噪聲輻射的影響,即上殼體的圓角半徑,如圖8所示。
圖8 上殼體示意圖
不同的圓角半徑下殼體的固有頻率如表2所示,可以看出,殼體的固有頻率隨著圓角半徑的增大而增高,即殼體的剛度隨著圓角半徑增大而增大。
表2 不同圓角半徑下殼體固有頻率
圖9 不同圓角半徑下殼體輻射聲功率
圖9為不同圓角半徑下殼體輻射聲功率,可以看出,隨著圓角半徑的增大,在1500-2500Hz和3000-5000Hz的頻率范圍里,殼體的輻射聲功率逐漸降低;在1500Hz以下則殼體輻射變化不大。因此,大的圓角半徑有利于降低壓縮機(jī)殼體的噪聲輻射。
2.4 殼體厚度的影響
增大殼體厚度是最簡單最常用的降噪方法,本文考慮了三種厚度的殼體,分別為:2mm,3mm,4mm。圖10為三種壁厚下殼體的固有頻率的變化,由圖10可以看出,前四階模態(tài)頻率隨著殼體厚度增大而降低,因?yàn)楹穸仍黾雍髿んw的質(zhì)量相應(yīng)的增大。從第五階固有頻率后,殼體的固有頻率隨著殼體厚度的增加而增大,因?yàn)闅んw增厚后其剛度也相應(yīng)的增大。
圖10 不同壁厚下殼體模態(tài)比較
圖11 不同壁厚下殼體輻射聲功率
圖11為不同厚度下殼體的輻射聲功率,可以看出,隨著厚度的增大殼體的噪聲輻射幾乎在整個(gè)頻率范圍內(nèi)逐漸下降,因?yàn)楹穸仍黾雍髿んw的剛度增大,殼體的固有頻率也增大,要激起高固有頻率的殼體振動需要更多能量,因此增加厚度是一種很簡單而有效的降噪方法,且在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)都有較好的降噪效果,但是厚度增加后殼體的制造成本就會相應(yīng)增加。
2.5 殼體阻尼的影響
殼體的阻尼對能量的消耗起著至關(guān)重要的作用,本文考慮了三種殼體的結(jié)構(gòu)阻尼,分別為:C=0、C=0.01和C=0.1。圖12為三種阻尼下殼體的輻射聲功率,可以看出,在高頻范圍內(nèi),隨著殼體阻尼的增大,殼體輻射聲功率逐漸降低,同時(shí)峰值逐漸降低。因此,采用高阻尼的殼體材料有利于降低殼體的高頻噪聲。
圖12 不同結(jié)構(gòu)阻尼下殼體輻射聲功率
3 小結(jié)
在分析殼體固有頻率的基礎(chǔ)上,利用有限元和邊界元相結(jié)合的方法,研究了不同參數(shù)對殼體噪聲輻射的影響,得出以下結(jié)論:
(1)泵體采用底部支撐的方式與殼體連接時(shí),殼體的噪聲輻射較低,而采用懸掛方式時(shí)殼體的噪聲輻射較高。
(2)力的作用方向?qū)んw的噪聲輻射有很大的影響,徑向力對殼體的噪聲輻射貢獻(xiàn)最大,切向力次之,而軸向力最小。
(3)上殼體的圓角半徑增大,殼體的固有頻率增大,噪聲輻射則隨著降低,因此大的圓角半徑有利于壓縮機(jī)噪聲的降低。
(4)殼體厚度越厚,殼體的噪聲輻射就越低。同時(shí),殼體的阻尼增大后,殼體的噪聲輻射就降低,對應(yīng)的峰值也會降低。
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