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内燃机主要部件结构噪声预测及优化控制研究

邓晓龙  
【摘要】:内燃机结构噪声控制的研究是振动与噪声控制领域的一个重要的研究方向。本文以玉柴机器股份有限公司的YC6108柴油机为具体研究对象,对结构噪声预测与优化控制开展了深入的研究工作。主要工作包括:噪声预测边界元方法的研究;发动机主要部件的实体模型的建立、振动有限元建模的研究,发动机组合结构的振动有限元建模、声边界元建模的研究;主要部件及组合结构的有限元和试验模态分析;组合结构的振动谐响应分析和辐射噪声预测;基于边界元方法的结构参数声敏感度分析方法研究,结构的固有频率的敏感度分析以及声敏感度分析;适合于噪声优化控制问题的并行复合遗传算法的研究,发动机的油底壳加强板位置和长度的噪声最小化设计。 论文首先对前人在发动机振动与噪声控制研究方面的成果作了概述,明确了本文研究工作的重点和需要解决的主要问题。 为了缩短噪声预测的时间,解决噪声优化控制存在的实际困难,通过对噪声辐射理论的研究,采用Helmholtz方程的集总参数模型来加快边界元法的速度,得到了该方法的计算公式,在保证边界元法精度的基础上,计算时间大大缩短。 建立了6108型发动机的机体、缸盖、油底壳的实体模型、振动有限元模型,并进行了有限元模态分析与试验模态分析,分析结果表明,所建立的有限元模型具有相当的精度,可以作为后续研究的基础模型。通过对机体、缸盖、油底壳的模态分析,掌握了它们的振动特性,为结构的减振降噪提供了指导。研究得知,机体的裙部,特别是进气侧的裙部,是整个机体的刚度最薄弱的地方,进行结构改进时,对该部分加以特别的关注可能会有更好的效果。在有限元模型的建立过程中,研究了不同的网格密度下,机体的固有频率变化情况,确定了一种合适的网格密度。 建立了机体-缸盖、机体-油底壳、机体-缸盖-油底壳三种组合结构的有限元模型,并重点对比了不同的位移耦合模式下的组合结构的振动模态的差别。在机体、缸盖、油底壳三种部件中,缸盖的刚度最大,机体次之,而油底壳的刚度最小,组合结构的振动模态以最薄弱的结构的局部模态为主。以上研究为结构的改进提供了方向。 在分析发动机的激励之后,确定了三种激励作用的位置、大小、相位、激励 WP=4 在有限元模型中的施加方式等。然后对组合结构施加这些激励,进行了谐响应分析,在将有限元的数据转换到边界元模型后,进行了噪声预测。通过对油底壳的噪声辐射的计算和试验测试,计算结果和试验结果相差不大,说明边界元等算法是可靠的。 推导了预测噪声所采用的集总参数BEM方法的声学敏感度分析的公式。研究表明,对于集总参数模型的边界元方法而言,采用重计算方法求噪声敏感度是合适的。分析了机体的固有频率对5个参数的敏感度,油底壳的固有频率对4个参数的敏感度,最后分析了机体和油底壳的一些参数变化对机体-缸盖-油底壳组合结构的固有频率和辐射噪声功率的影响。敏感度分析为结构的修改指明了方向。机体的裙部进气侧、机体下部的横隔板、油底壳的整个板厚、油底壳法兰的板厚等是影响比较大的参数。 论文开展了实际结构的噪声优化控制的研究。针对噪声优化控制问题,提出并实践了一种改进的并行复合遗传算法。在突破了噪声最小化中过程中有限元模型的重构、多频激励下计算速度慢等瓶颈后,进行了发动机油底壳加强板的优化设计。优化后的结构,其辐射噪声大大降低。


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