考虑多种激励源的柴油机振声模拟技术研究

发布时间：2017-07-30 07:30

  本文关键词：考虑多种激励源的柴油机振声模拟技术研究

  更多相关文章： 内燃机辐射噪声 气动噪声 活塞敲击力 多场耦合 声学结构优化

【摘要】：随着柴油机向高功率密度方向发展,其工作转速和功率密度逐渐提升,整机结构振动和噪声问题越来越受到人们的关注,振声特性逐渐作为一项关键指标逐渐融入内燃机设计中。内燃机的激励载荷分析作为整机振动噪声问题的研究基础,是整机振声分析结果可信性的重要保证。本文从内燃机整机工作过程中所形成的多种激励源出发,结合实验研究,系统研究了引起整机结构振动噪声的激励载荷形成原理及相关数值模拟方法。结合所建立的整机动力学分析模型,完成结构动态特性研究,并对整机辐射噪声进行精确预估分析,对内燃机主要结构进行声学优化分析,主要研究内容如下:根据发动机台架性能实验测试结果,采用模块分解法,完成发动机性能仿真模型的建立,并对发动机燃烧性能以及进、排气系统气流特性参数进行分析,借助三维流体动力学理论,对发动机进、排气管路内气体脉动压力进行分析,应用Lighthill流体声学类比理论对气体流动过程中所形成的偶极子声源产生的声压及频率分布特征进行预测分析。采用动态子结构缩聚理论,分析了非线性阻尼弹簧单元及流体动力润滑油膜支撑作用对内燃机曲轴系统主轴承载荷的影响,同时探讨了主轴承轴心轨迹、油膜压力和油膜厚度等润滑特性以及曲轴的扭转振动,并获得曲轴主轴承动态激励载荷分布规律和载荷峰值特征。应用多物理场耦合分析理论,根据温度场测试信息,对发动机燃烧室组成构件的结构工作变形进行分析。通过所建立的活塞二阶运动分析模型,对活塞的敲击运动进行研究,同时探讨了内燃机冷却水套不同控制参数对活塞敲击力的影响规律。利用多质量模型和多体动力学分析方法,对发动机配气机构多因素影响下的气门构件的运动规律进行了研究,应用碰撞接触理论,建立了气门落座力的数值计算模型,并确定模型中接触刚度和力学指数,同时探讨了气门落座峰值载荷与恢复因子、气门质量及气门落座速度等参数的响应关系。结合内燃机结构动态实验测试,采用相关性验证分析方法,完成发动机复杂结构动力学仿真分析模型,通过分析可知,在引入进、排气管路结构后,整机模态密度发生了改变,模态响应函数峰值整体左移,同时凸显峰值的模态阶数数量有所增多,模态参与因子在400~600Hz频段内出现贡献量较大。整机高频振动区域主要集中于发动机进、排气管路和气门罩及机体下部的油底壳处。应用CFD/BEM声学耦合分析方法,耦合进、排气管路气体脉动压力及偶极子声源,对整机的外辐射声场进行预估分析。结合整机组成构件声学贡献量分析结果,针对发动机主要辐射噪声结构件油底壳的结构进行了声学优化分析,进而降低整机的辐射噪声水平。
【关键词】：内燃机辐射噪声 气动噪声 活塞敲击力 多场耦合 声学结构优化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 变量表15-23
• 第1章 绪论23-42
• 1.1 研究背景及意义23-25
• 1.2 内燃机振动噪声研究现状25-31
• 1.2.1 内燃机振动噪声形成的原因25-26
• 1.2.2 内燃机振动噪声研究概况26-28
• 1.2.3 气动噪声研究方法28-29
• 1.2.4 气动噪声声类比理论29-30
• 1.2.5 内燃机振动噪声国内研究现状30-31
• 1.3 内燃机运动机构的载荷激励31-35
• 1.3.1 内燃机缸内高压冲击载荷32
• 1.3.2 内燃机运动机构动态冲击载荷32-35
• 1.4 内燃机结构振动噪声形成及分析方法35-39
• 1.4.1 内燃机结构振动噪声形成35-36
• 1.4.2 内燃机结构振动噪声分析方法36-39
• 1.4.2.1 有限元法36-37
• 1.4.2.2 边界元法37-38
• 1.4.2.3 有限元/边界元耦合分析法38-39
• 1.4.2.4 声学传递向量分析法39
• 1.5 本文研究目的及主要工作内容39-42
• 1.5.1 本论文研究目标39
• 1.5.2 本论文的研究内容39-42
• 第2章 发动机进、排气管路气动载荷与噪声分析42-64
• 2.1 计算流体动力学基本理论42
• 2.2 流体动力学的基本方程42-45
• 2.2.1 质量守恒方程43
• 2.2.2 动量守恒方程43-44
• 2.2.3 能量守恒方程44-45
• 2.3 流体控制方程求解方法45-46
• 2.4 发动机进、排气系统的流动特征46-50
• 2.4.1 湍流流动过程分析46-47
• 2.4.2 湍流流动的基本方程47
• 2.4.3 流体湍流模型47-50
• 2.5 发动机系统仿真分析50-52
• 2.5.1 柴油机工作过程仿真计算模型建立50-52
• 2.5.2 发动机进、排气系统计算参数52
• 2.6 发动机进、排气管路振动噪声分析52-63
• 2.6.1 发动机进、排气系统噪声产生机理52-54
• 2.6.2 发动机进、排气过程管路流场数值模拟分析54-55
• 2.6.3 进、排气管脉动压力载荷分析55-56
• 2.6.4 进、排气管声学特性分析56-63
• 2.7 小结63-64
• 第3章 曲轴系统弹性流体耦合动态激励特性分析64-90
• 3.1 引言64
• 3.2 多体动力学提出与求解64-68
• 3.2.1 多柔体动力学65-67
• 3.2.2 有限元模态综合法的动态子结构缩聚67-68
• 3.3 发动机曲轴系三维多体动力学分析68-78
• 3.3.1 曲轴系统柔性体结构部件建模68-71
• 3.3.2 机体结构动态子结构缩聚模型71-73
• 3.3.3 结构件柔性体非线性连接副73-76
• 3.3.4 曲轴动力学模型的外部载荷76
• 3.3.5 整机柔性多体动力学模型的搭建76-78
• 3.4 曲轴主轴承载荷分析78-79
• 3.5 主轴承弹性流体润滑状态载荷分析79-84
• 3.5.1 主轴承弹性流润滑轴承载荷80-81
• 3.5.2 轴心运动轨迹分析81-82
• 3.5.3 峰值油膜压力与最小油膜厚度分析82-84
• 3.6 曲轴扭振特性分析84-86
• 3.6.1 曲轴系扭转自由振动分析84-85
• 3.6.2 额定工况下曲轴扭振分析85-86
• 3.7 曲轴系扭振试验测试分析86-88
• 3.7.1 曲轴扭振测试原理86-87
• 3.7.2 试验台架的布置87
• 3.7.3 发动机曲轴扭振动试验结果87-88
• 3.8 小结88-90
• 第4章 活塞组件多场耦合二阶运动建模与仿真技术研究90-112
• 4.1 引言90
• 4.2 活塞二阶运动分析方法及其理论90-91
• 4.2.1 活塞二阶运动的分析方法90-91
• 4.2.2 活塞二阶运动原理91
• 4.3 内燃机活塞二阶运动分析91-93
• 4.3.1 活塞组件系统动力学方程91-92
• 4.3.2 活塞与缸套间的润滑因素及求解过程92-93
• 4.4 活塞动力学仿真模型建立93-100
• 4.4.1 活塞-缸套组件有限元模型93-94
• 4.4.2 气缸套和活塞结构件温度场分析94-99
• 4.4.3 气缸盖、活塞温度场测试99-100
• 4.5 气缸套和活塞结构件多场耦合变形分析100-102
• 4.5.1 多场耦合变形分析有限元模型100-101
• 4.5.2 计算边界条件101
• 4.5.3 燃烧室结构件变形结果101-102
• 4.6 活塞敲击运动分析102-106
• 4.6.1 活塞二阶运动分析模型建立102-103
• 4.6.2 活塞运动特性分析103-104
• 4.6.3 活塞侧推力104-105
• 4.6.4 活塞动态敲击力105-106
• 4.7 发动机不同冷却效果对活塞二阶运动的影响106-111
• 4.7.1 冷却液温度对活塞二阶运动的影响106-108
• 4.7.2 冷却液流量对活塞二阶运动的影响108-111
• 4.8 结论111-112
• 第5章 发动机配气机构非线性动力学特性分析112-125
• 5.1 引言112
• 5.2 发动机配气机构的动力学分析方法及建模112-117
• 5.2.1 配气机构动力学分析方法112-113
• 5.2.2 配气机构动力学分析模型比较研究113-116
• 5.2.3 配气机构动力学模型分析结果比较116-117
• 5.3 气门运动过程冲击载荷分析117-119
• 5.3.1 弹性结构接触力计算模型117-118
• 5.3.2 内燃机气门落座载荷分析模型118-119
• 5.4 内燃机气门落座载荷有限元模型验证119-121
• 5.4.1 有限元模型119-120
• 5.4.2 材料特性及边界条件120-121
• 5.4.3 气门落座冲击力求解121
• 5.5 气门落座力计算模型121-124
• 5.5.1 气门落座力计算模型参数确定121-123
• 5.5.2 气门落座力模型参数分析123-124
• 5.6 小结124-125
• 第6章 内燃机复杂结构动态特性建模与分析技术研究125-147
• 6.1 引言125
• 6.2 整机动力学响应分析模型的建立125-127
• 6.3 发动机整机模态计算127-130
• 6.3.1 结构模态分析理论127-128
• 6.3.2 模态计算结果128-129
• 6.3.3 模态计算结果分析129-130
• 6.4 发动机结构模态测试130-139
• 6.4.1 实验模态分析技术理论基础130-134
• 6.4.2 发动机结构模态实验测试134-139
• 6.5 发动机整机结构动力学响应分析139-144
• 6.5.1 基于模态的强迫振动响应分析理论基础139-140
• 6.5.2 发动机整机结构的动态响应分析140-144
• 6.6 发动机结构表面振动测试144-145
• 6.6.1 试验测试方案144
• 6.6.2 内燃机表面振动测试144-145
• 6.6.3 结果分析145
• 6.7 小结145-147
• 第7章 内燃机声学耦合建模与结构声学优化分析技术147-168
• 7.1 结构辐射噪声产生机理147-149
• 7.1.1 振动与噪声的关系147-148
• 7.1.2 结构振动声辐射理论148-149
• 7.2 结构辐射声场数值求解理论149-152
• 7.2.1 三维声场边界元理论149-152
• 7.3 整机辐射噪声预估分析152-159
• 7.3.1 边界元分析模型建立152-153
• 7.3.2 边界元分析测点的建立153-154
• 7.3.3 振声耦合分析模型建立154
• 7.3.4 整机声压计算结果154-158
• 7.3.5 机体结构声学贡献量分析158-159
• 7.4 发动机整机声功率测试159-161
• 7.4.1 声功率及声功率级159
• 7.4.2 声功率级测试方法159-160
• 7.4.3 声功率级测试结果160-161
• 7.5 内燃机油底壳主要参数对整机辐射噪声的影响161-166
• 7.5.1 油底壳结构对声辐射的影响161-163
• 7.5.2 油底壳材料对整机声辐的影响163-165
• 7.5.3 油底壳厚度对整机声辐射的影响165-166
• 7.6 本章小结166-168
• 结论与展望168-172
• 全文总结168-171
• 本文工作的主要特色171
• 对今后工作的建议171-172
• 参考文献172-180
• 在读博士期间发表论文与研究成果180-181
• 致谢181

【共引文献】

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