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内燃机噪声控制技术及声辐射预测研究

作　者: 梁兴雨
导　师: 舒歌群
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 动力机械内燃机振动噪声声辐射预测
分类号: TK401
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

“能源与环境”是汽车和发动机工业在21世纪发展所面临的两大课题,解决发动机的排放和噪声污染控制已经成为发动机工业发展的最具有挑战性的问题,因此开展降低发动机噪声的研究具有十分重要的意义。本文通过理论、实验以及虚拟设计等多种手段对发动机噪声控制技术及声辐射预测进行了深入细致的研究,全文共分为上、下两篇。上篇是围绕发动机噪声控制技术展开的,主要论述的是噪声源识别及低噪声内燃机改进所进行的研究工作。在噪声源识别方面,为解决采用表面振动法最关键的声辐射效率问题,采用理论与实验相结合,进行了离散计算法内燃机表面振动声辐射效率研究。研究结果表明,离散计算法具有很高的精度,可以对受各种因素影响的内燃机零部件声辐射问题进行研究,同时这一研究成果也是噪声辐射预测的基础。通过采用单缸熄火法、表面振动速度法以及近场声压扫描法系统地对内燃机功能性噪声和表面辐射噪声识别后,将层次识别理论引入内燃机复杂噪声源识别中,采用基于相干功率谱分析的层次识别,建立了功能性噪声和表面辐射噪声之间的关系,对于功能性噪声的控制按照识别后的对应频率关系就可以找到对应的控制策略。在内燃机低噪声改进方面,通过对曲轴激励与机体表面振动间传递关系的研究,发现机体群部表面振动是由轴系三维振动激励导致的,控制轴系振动可以降低群部表面振动,同时改变曲轴到机体表面的振动传递特性也可能降低群部表面振动。而长期以来人们对车辆发动机更加关注曲轴的扭转振动,对曲轴的耦合振动还研究不多。本文根据瑞利法建立了扭纵耦合强迫振动模型,为探索内燃机轴系扭纵耦合强迫振动的计算方法提供了一种有益的尝试,采用谐次分析法对模型求解后,通过与实际测量所得到的结果进行比较发现,扭振和纵振与实际测量的结果在各主要谐次都保持相当的一致,表明所建立的模型能够被用来进行扭振减振器优化设计,通过对扭振系统进行参数灵敏度分析以及减振器设计参数的优化求解,得到了扭振系统的最优减振器参数,实测结果证明了设计的正确性。对内燃机薄壁件的降噪研究是从两方面进行的,一是进行了阻尼因子的减振机理研究,揭示了复合阻尼材料具有这一优点的原因,同时考察了频率、温度以及润滑油等因素对阻尼因子的影响;二是进行了结构刚度对减振降噪作用的研究,通过灵敏度分析找到了控制整体刚度的主要因素,并在发动机上进行了验证。最后通过对多台内燃机系统降噪研究工作的分析和总结,根据内燃机的激励源以及传递途径的规律,提出了低噪声设计工作的频率分布理论,为内燃机进行设计时指出具体的工作方向。下篇主要论述的是内燃机声辐射预测的研究内容,包括多体动力学主轴承载荷的计算,基于组合体的动力响应分析以及边界元声辐射预测等。在分析和合理简化的基础上,建立包括曲轴柔性体部件模型、活塞连杆组在内的刚性部件模型,并将它们综合建立了刚柔混合多体动力学分析模型。在ADAMS中仿真计算得出在发动机运转情况下考虑刚、柔两种曲轴得到的轴承载荷,结果发现柔体曲轴的自身变形及相邻气缸做功的叠加增加了曲轴的载荷,使工作状况更加复杂。在组合体模态分析的基础上,确定了组合体的边界条件及计算初始条件,通过对某柴油机进行有限元动力响应分析,得到了时域和频域的响应结果,并与实测数据的动态特性进行了对比,说明了所采取的建模技术及分析手段的正确性。噪声预测模型是基于边界元技术建立的,通过振动边界条件以及声辐射效率的导入后,采用直接边界元算法,计算得到了声辐射的声功率、近场及远场辐射声压和辐射效率等结果,为在设计阶段进行噪声预测评价提供了基础。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-28
  1.1 内燃机降噪的紧迫性及其意义  12-15
  1.2 国内外内燃机降噪研究进展  15-21
  1.3 噪声预测技术进展  21-25
    1.3.1 激励力的求取  22-23
    1.3.2 边界条件的确定  23
    1.3.3 传递特性  23
    1.3.4 动态响应  23-24
    1.3.5 声辐射效率  24-25
  1.4 本文的主要工作  25-28
上篇：内燃机噪声控制技术  28-129
  第二章内燃机主要噪声源及其系统辨识  29-65
    2.1 内燃机的噪声分类  29-31
    2.2 功能性噪声的系统辨识研究  31-35
      2.2.1 单缸熄火分离法的原理  31-32
      2.2.2 单缸熄火实验及结果处理  32-33
      2.2.3 单缸熄火分离法对柴油机噪声的影响  33-34
      2.2.4 单缸熄火分离法对柴油机振动的影响  34-35
    2.3 内燃机部件表面振动的声辐射效率研究  35-47
      2.3.1 内燃机部件的活塞声源模型及辐射阻抗  35-37
      2.3.2 内燃机部件声辐射效率的离散计算法原理  37-38
      2.3.3 离散计算法的实验设计  38-40
      2.3.4 内燃机油底壳声辐射效率研究  40-45
      2.3.5 内燃机其它部件的声辐射效率研究  45-47
    2.4 表面辐射噪声的系统辨识  47-53
      2.4.1 表面振动法噪声源识别原理  48
      2.4.2 表面振动测量及结果分析  48-52
      2.4.3 近场扫描法识别噪声源原理  52
      2.4.4 近场扫描噪声源识别的实验及结果  52-53
    2.5 功能性噪声与辐射噪声间的层次识别  53-63
      2.5.1 相干功率谱及噪声源层次识别理论  54-56
      2.5.2 柴油机噪声源层次诊断  56-60
      2.5.3 噪声源层次排序  60-63
    2.6 本章小结  63-65
  第三章内燃机轴系振动及减振器优化设计  65-89
    3.1 曲轴振动与机体表面振动耦合关系研究  65-75
      3.1.1 曲轴振动信号和机体表面振动信号的采集及分析  65-68
      3.1.2 相干分析的理论基础  68-69
      3.1.3 信号输入系统完备性检验  69-70
      3.1.4 曲轴扭振与裙座表面振动的关系  70-72
      3.1.5 曲轴纵振与裙部振动的偏相干分析  72-73
      3.1.6 曲轴弯振与裙部振动的偏相干分析  73-74
      3.1.7 曲轴各种振动的贡献率  74-75
    3.2 基于瑞利法的轴系扭纵耦合振动研究  75-82
      3.2.1 瑞利法分析模型的建立  76-77
      3.2.2 内燃机曲轴模型的简化及耦合方程的建立  77-79
      3.2.3 耦合方程的求解及结果比较  79-82
    3.3 基于灵敏度分析的扭振减振器优化设计  82-88
      3.3.1 减振器参数灵敏度分析  82-84
      3.3.2 传统经验方法对比分析  84-86
      3.3.3 扭振减振器噪声实验  86-88
    3.4 本章小结  88-89
  第四章内燃机薄壁件降噪机理研究  89-110
    4.1 薄壁件阻尼减振机理分析  89-98
      4.1.1 阻尼减振降噪技术的理论基础  89-92
      4.1.2 减振材料的阻尼测量方法  92-93
      4.1.3 实验结果及阻尼的影响因素  93-96
      4.1.4 复合阻尼罩壳的降噪应用  96-97
      4.1.5 自由阻尼材料在降噪中的应用  97-98
    4.2 结构刚度对降噪影响的机理研究  98-108
      4.2.1 油底壳计算模型的建立及验证  98-101
      4.2.2 油底壳结构刚度的灵敏度分析  101-103
      4.2.3 油底壳改进分析及试验验证  103-108
    4.3 薄壁件隔振措施的降噪研究  108-109
      4.3.1 薄壁件的隔振研究  108
      4.3.2 薄壁件夹层隔振研究  108-109
    4.4 本章小结  109-110
  第五章内燃机低噪声改进设计及评价  110-129
    5.1 降低噪声的技术措施  110-116
      5.1.1 涡轮增压技术  110-111
      5.1.2 调整供油提前角  111-112
      5.1.3 降低机械噪声  112-113
      5.1.4 空气动力性噪声的降噪措施  113-115
      5.1.5 传动系统的降噪研究  115-116
    5.2 噪声控制措施的层次分析评价  116-121
      5.2.1 评价点噪声测试与分析  116-118
      5.2.2 判断矩阵的建立及单层次排序  118-120
      5.2.3 层次总排序  120-121
    5.3 降噪系统的方法论研究  121-128
      5.3.1 子系统的划分  121-122
      5.3.2 内燃机的激励源  122-124
      5.3.3 内燃机激励的传递途径  124-127
      5.3.4 模态频率分布理论  127-128
    5.4 本章小结  128-129
下篇：内燃机声辐射预测研究  129-196
  第六章内燃机曲轴连杆系统柔体动力学分析  130-150
    6.1 活塞-轴系多体动力学模型  130-133
      6.1.1 活塞-轴系多体系统运动学分析  130-131
      6.1.2 活塞-轴系多体系统动力学分析  131-133
    6.2 柔性系统多体运动学分析  133-137
      6.2.1 柔性体的动能  135-136
      6.2.2 柔性多体系统运动方程  136-137
    6.3 轴系柔性多体动力学分析  137-141
    6.4 柔性曲轴动力学行为的影响  141-146
      6.4.1 柔性曲轴主轴承动力学行为的影响  141-144
      6.4.2 柔性曲轴对连杆轴承动力学行为的影响  144-146
    6.5 轴系动态响应分析  146-149
      6.5.1 轴系响应计算的阻尼问题  146
      6.5.2 轴系动态响应计算结果  146-148
      6.5.3 轴系振动的仿真与实验分析  148-149
    6.6 本章小结  149-150
  第七章内燃机组合结构的动力响应分析  150-172
    7.1 内燃机组合结构建模技术  150-157
      7.1.1 组合结构模型建立的基本理论  150-151
      7.1.2 组合结构各个零部件模型的建立  151-152
      7.1.3 组合结构模型的建立及网格划分  152-154
      7.1.4 组合结构结合面动力学参数的识别  154-157
    7.2 组合体结构的试验模态分析  157-164
      7.2.1 模态试验机体结构简化模型的建立  158-159
      7.2.2 模态试验装置及测试系统  159-160
      7.2.3 试验结果分析  160-163
      7.2.4 组合结构模态计算值和实验值的对比  163-164
    7.3 组合体结构动力响应分析  164-171
      7.3.1 动力响应分析的边界条件  164
      7.3.2 动力响应分析的载荷及施加  164-165
      7.3.3 组合体动力响应计算  165-166
      7.3.4 组合体动力响应的计算结果  166-171
    7.4 本章小结  171-172
  第八章内燃机辐射噪声预测研究  172-192
    8.1 辐射噪声预测方法研究  172-173
    8.2 SYSNOISE 边界元法声学分析原理  173-175
    8.3 发动机辐射噪声分析模型的建立  175-178
      8.3.1 噪声预测声学模型的建立  175-176
      8.3.2 噪声分析场点网格模型的建立  176-177
      8.3.3 施加的主要边界条件  177-178
    8.4 整机结构声辐射的结果及分析  178-187
      8.4.1 整机结构声辐射计算结果分析  179-185
      8.4.2 整机结构声辐射效率  185-186
      8.4.3 主要部件声能量贡献  186-187
    8.5 整机声辐射的结构优化  187-190
      8.5.1 结构修改方案的确定  187-188
      8.5.2 结构改进效果评价  188-190
    8.6 本章小结  190-192
  第九章全文总结  192-196
    9.1 主要研究成果和结论  192-195
      9.1.1 内燃机噪声控制技术  192-194
      9.1.2 内燃机噪声辐射预测  194-195
    9.2 本文的创新之处  195-196
参考文献  196-202
发表论文和科研情况说明  202-204
  攻读博士期间所发表的论文  202-203
  攻读博士期间所参与的科研项目  203
  攻读博士期间所获得的专利  203-204
致谢  204

内燃机噪声控制技术及声辐射预测研究

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