發(fā)動機振動噪聲預(yù)測中有限元技術(shù)的應(yīng)用

劉 偉，劉鵬飛

山西省太原市中北大學(xué)，山西太原 030051

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，發(fā)動機設(shè)計方面的問題也逐漸走進人們的視野，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)動機功率也變得越來越強，與此同時在提高發(fā)動機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)動機噪聲實施測量，其方法就是在最大轉(zhuǎn)速最大載荷下加速運動時的噪聲最大值。而在高速柴油機方面，相關(guān)研究顯示，假設(shè)發(fā)動機噪聲的主要來源是燃燒噪聲，那么對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)進行沖洗能設(shè)計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械沖擊是其主要的，那么可以采用對結(jié)構(gòu)實施重新設(shè)計的方法。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)動機結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計。

1 關(guān)于有限元模型

有限元網(wǎng)格是基于402 個節(jié)點以及618 個單元組成的，涉及實體單元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筋，不過需要注意的是板單元與梁單元的邊界條件，因為他們是垂直關(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)變形實驗與實驗材料強度。需要注意的是未安裝缸蓋時，保證缸體上部的剛度遠大于下部，因此實施發(fā)動機有限元模擬時，相對于缸體上部，其余部分的網(wǎng)格是實行的精細(xì)化的劃分。其實下部的振動特性以及變形遠比上部重要。

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驗數(shù)據(jù)，而且可以計算出其壓力數(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?？梢酝ㄟ^實驗來獲取偏差，同時繪制計算機程序?qū)嵤┯嬎阋约胺治?，在這個過程中運用了實驗條件下相同公式，而且其分析數(shù)據(jù)與實測數(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，運用有限元模型，對加強筋的位置進行修正等，從而減少主軸承中心線的偏差。從中心線偏差的靜態(tài)試驗可知，僅僅很小調(diào)整發(fā)動機結(jié)構(gòu)，即可以減低振動噪聲。

3 動態(tài)分析

首先測試有機體動態(tài)模型，進而測試整體發(fā)動機，通過相關(guān)的試驗以及甲酸的數(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體外表面的振動才可以輻射出噪聲，因此確定機體結(jié)構(gòu)彎曲模態(tài)變形很是重要。從加強強度這一方面來說，豎直方向的剛度作用很大，而發(fā)動機噪聲問題的契機是水平方向剛度，因為水平面上的彎曲變形會造成曲軸箱上形成垂直方向振動。其實若振動方向與機體表面平板垂直，即便是較小的振動也會造成強烈的噪聲。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，所以說實施分析機體裙部的模態(tài)時，要優(yōu)化發(fā)動機安裝位置，同時還要增加加強筋，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。運用有限元的方法制定簡易模型，通過它來分析計算基本扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型和彎曲模態(tài)振型，其優(yōu)點是誤差較小，并且構(gòu)建以及分析也非常的方便。

4 優(yōu)化調(diào)整發(fā)動機振動

對于降低噪聲而言，通過降低發(fā)動機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)計以及安裝對于曲軸箱裙部的振動具有較強的抑制作用，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)動機實施測量以及實驗，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)動機結(jié)構(gòu)剛度來降低噪聲，因為這一方法提升了振動的固有頻率。

5 結(jié)論

在發(fā)動機震動哦造神預(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)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計會在很大程度上減低發(fā)動機噪聲，而且經(jīng)濟。

[1]范淳.有限元技術(shù)在預(yù)測發(fā)動機振動噪聲中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2003(6)：46-47.

[2]博志方.振動模態(tài)分析與參致識別[M].北京：機械工業(yè)出版社，l990：1045-1046.