2. 2 载荷的施加

2. 2. 1 气缸燃烧压力的施加

气缸压力载荷分别作用在缸盖底面和活塞顶面上。气缸压力加载在缸盖底面上时采用各缸一个周期的缸内压力函数。由于气缸压力作用在气缸壁上的载荷,随着时间的变化,压力的大小和作用面积都发生变化,因此这里采用瞬时均布加载的方法,根据活塞的行程选择压力作用面积,以活塞上止点为坐标原点,沿气缸中心线向下为X轴正向,则活塞在时刻t所处的位置为

在瞬态分析计算中,步长的选择是很重要的,既要准确地描述压力曲线的变化,又要考虑到计算的规模和时间,由于采用的是隐式积分算法,可以采用较大的步长[ 3 ] 。同时燃烧噪声和缸内压力升高率密切相关,考虑到压力升高率对燃烧噪声的影响,步长在气缸上止点前40度到上止点后15度采用1度曲轴转角,而在其他时间段采用20度曲轴转角。因此,靠近上止点位置网格划分较密,将每一步时间步长的压力加载到气缸壁表面节点上。

2. 2. 2 主轴承载荷的施加

由于在不同时刻t主轴承负荷P ( t)的大小、作用点和方向都发生变化,因此主轴承周向载荷也随时间而变化。而柴油机主轴承在P ( t)的作用下,形成主轴承油膜压力,其计算要综合旋转效应和挤压效应两方面的因素。并涉及到轴心轨迹的计算问题,因此情况非常复杂,需要一些简化。在简化计算时,假设轴承与轴颈之间的油膜压力周向分布按余弦规律变化,其分布角取2θ[4 ] ,在计算中取θ=π/3。且对称于Px( t)和Py ( t)作用线。由于各缸发火时刻不同,因此每个主轴承受到两侧气缸产生的合力。

2. 3 边界条件的确定

柴油机的机体与缸盖是靠螺栓紧固在一起的,本文采用螺栓和螺栓附近部位两个部件的对应的节点所有方向的位移全部耦合在一起,其它部位仅仅上下方向(UZ)耦合。发动机的油底壳是靠16颗螺栓连接在机体下部的,其前部和后部分别与齿轮室下部和飞轮壳下部相连接。由于考虑到连接的螺栓较多,并且结合面之间存在衬垫,压紧后实现密封,因此本文采用将油底壳与机体之间的连接界面简化为整个结合界面上对应节点在三个方向上位移全部耦合,主轴承盖与机体之间采用螺栓接触面的刚性耦合连接,缸套与机体采用整体刚性耦合连接。按照柴油机实际的安装结构,分别对机体两侧安装部位进行了约束处理,还对机体靠近输出端一侧端面下部进行了完全位移约束。

本文采用直接积分法求解柴油机瞬态振动响应通过计算得出了CY4102BG型柴油机在一个工作循环下的组合结构随时间变化的振动情况。

3柴油机结构噪声预测

在用有限元法对柴油机组合结构进行瞬态响应分析,得到组件的表面节点随时间变化的振动位移之后,通过利用APDL编写的有限元谱分析程序,将其转化成柴油机组合结构表面节点随频率变化的振动位移数据。下面就可以用边界元方法来预测辐射噪声。

3. 1边界元模型的建立

用边界元法预测辐射噪声,首先要建立组合结构的边界元模型,包括边界单元和边界节点。该边界元模型网格的尺寸比较规范,大小比较接近,这样有利于提高边界元法的计算速度和精度。由于建立的边界元模型不是直接从有限元模型提取的结构外表面有限元单元数据,因此需利用插值方法从有限元分析得到的节点振动位移计算出边界元模型节点的振动位移作为边界元模型的边界条件。

3. 2结构辐射噪声计算结果分析

3. 2. 1柴油机的声谱分析

对于柴油机组合结构来讲,考虑到以下几个方面:缸盖和机体在频率为300 - 2000Hz的中频段时,结构振动的响应最大,而且也是人耳感觉最强烈的噪声频率范围;油底壳的噪声在频率为50 - 1000Hz的低频段时起主要作用;该直列四缸柴油机在转速为1500r/min工况下工作,其发火频率为50Hz,因此本文的噪声分析频率取50 - 2000Hz,频率步长为50Hz。由于需要求解柴油机振动表面向外界的辐射噪声,因此本文采用直接边界元法进行辐射噪声计算。

图4显示了柴油机表面具有代表性节点的辐射声压级频谱。从图中可以看出柴油机各部位表面声压级各频率下的分布情况。柴油机表面声压级最高的部位为油底壳。尤其是油底壳的后侧板和后底板,其表面声压级高达120dB 左右,其中后侧板声压级的峰值为450Hz和1250Hz两个频率; 后底板声压级的峰值出现在350Hz和1250Hz两个频率。油底壳前底板由于具有加强筋结构,因此其表面声压级比后底板小5dB左右。从图中还可以看出,相比之下油底壳左侧板大于右侧板的表面声压级。机体的前裙部在低频时表面声压级要大于后裙部,而在高频时表面声压级要小于后裙部。这是因为后裙部的刚度要大于前裙部,其主要共振频率比较高。缸盖的声辐射能量主要集中在1000Hz以下,其表面声压级也较大,在115dB 左右,因此,这个区域是控制缸盖辐射噪声的主要频段。

图4 柴油机表面节点声压级频谱

3. 2. 2 半消声室的建立

在距地面0. 3m 处加以对称面模拟地面的反射[ 5 ] ,加上对称面,认为在关于对称面的另一端假设一个完全一样的对称的辐射模型,由辐射模型和对称模型发出的声波到达对称面上任意一点时,径向质点速度沿对称面法向的分量都大小相等,方向相反,因而法向合成速度为零,这就是说对称面满足刚性平面边界条件。因此,该对称面的作用相当于将柴油机表面的辐射噪声完全反射,也即与无限大障碍板作用相同,但该模型的优点在于它可采用直接边界元法进行外场求解,避免了共振现象的发生。在距离柴油机各表面1m处添加了场点网格。

3. 2. 3 柴油机声功率计算分析

通过对柴油机的辐射噪声计算,得到了柴油机表面辐射声功率谱和声场的辐射声功率谱,如图5所示。根据该频谱可以得到柴油机表面总的声功率级为118. 4dB,声场的总声功率级为107. 5dB。从柴油机表面辐射声功率谱上看,在350Hz、850Hz和1250Hz时辐射噪声出现峰值,此时的柴油机表面声压级云图如图6 所示。从声场的辐射声功率谱上看,在300Hz、600Hz、850Hz和1250Hz时出现峰值,此时的声场声压级云图如图7所示。这确定了对辐射噪声贡献较大的频率,指出了改进设计的方向。

图5 柴油机表面和声场的辐射声功率频谱