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柴油机结构噪声预测及其优化控制的研究

李玉军  
【摘要】: 振动和噪声已成为影响柴油机产品性能好坏的一个重要参数,对其振动和结构噪声预测的研究已成为柴油机重要的研究课题。本文以4120SG型柴油机为研究对象,对其结构噪声预测及其噪声优化控制进行了一系列研究,提出了提高柴油机振动和结构噪声预测精度的方法,进行了柴油机声学优化的研究。 作者围绕提高柴油机振动和结构噪声预测精度,在机械激励力仿真、结合面的有限元处理和整机有限元模型建立等方面进行了深入研究。(1)采用多体动力学方法对柴油机曲轴系统和配气机构激励力进行了动力学仿真,弥补了传统的集总参数法对结构简化过多,仿真精度不高的缺点;为了提高曲轴系统动力学仿真精度,研究了曲轴和机体的弹性变形对各种激励力的影响,讨论了润滑油动力耦合效应对主轴承载荷的影响;采用应变法测量了配气机构的受力,试验验证了配气机构动力学仿真方法的正确性和仿真结果的精度。(2)进行了组合结构结合面动力学参数识别的理论研究,推导出含有结合面的组合结构动力学方程及其求解算法;以两钢板组成的含有结合面的组合结构为研究对象,进行了基于实测传递函数的组合结构结合面的试验研究和结合面参数识别研究;提出了结合面的有限元处理方法,并通过试验验证了各种处理方法的仿真精度。(3)研究了柴油机整机有限元动力学模型的建立。基于柴油机主要部件及组合结构的试验模态分析结果对相应的有限元模型进行了相关性分析,并对组合结构有限元模型进行了基于结构特征灵敏度分析法的动力学模型修正,保障了组合结构有限元模型的准确度;基于此,建立了完整的整机有限元模型,该模型不但包含了机体、油底壳和气缸盖等主要部件,还考虑了齿轮室盖板、曲轴箱侧盖板和挺杆室侧盖板等对结构噪声影响较大的结构。 为了掌握柴油机振动和噪声特性,验证理论计算结果的有效性,进行了相关的振动和声学试验研究。采用激光测振仪测量了柴油机的表面振动,分析了柴油机表面振动分布特性,测量了柴油机的声功率级,采用声强法进行了柴油机辐射噪声源识别的研究,识别出4120SG型柴油机主要辐射噪声源,为其结构噪声优化控制提供了方向。 采用有限元和边界元法进行了柴油机整机振动响应分析和结构噪声预测。分析了不同工况下和不同激励源作用下的柴油机振动特性,对比了计算结果与实测振动数据。结果表明:在主要频率处的整机表面振动分布趋势基本一致,单点振动频谱在1000Hz内的分布较相似,振动有效值相对误差较小。分析了柴油机结构噪声相关声学量的特性,对比了计算声强和实测声强在某频率处的云图,验证了计算结果的有效性。 对柴油机结构噪声优化控制进行了相关研究。结合柴油机噪声源识别结果和结构噪声计算结果,对柴油机整机模型进行了结构参数的声学灵敏度分析,为柴油机结构噪声的优化提供了有益的结果;以挺杆室侧盖板为例,提出了通过改变螺栓的安装位置降低噪声的方法,采用数据计算方法评估了这种方法的降噪效果。


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