發(fā)動機振動噪聲預測中有限元技術(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,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

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緊,由于此問題的復雜性造成了優(yōu)化預緊螺釘?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,若汽缸蓋螺釘預緊,不同的預緊力是如何的。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。

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