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在发动机的辐射噪声中,结构薄壁件(包括油底壳、气门室罩、正时齿轮室罩等)产生的辐射噪声占总辐射噪声的50%左右,其中油底壳产生的辐射噪声占总量的20%左右[ 1 ] ,因此有必要对该结构进行声学优化,降低发动机的噪声水平。
油底壳一般由薄钢板冲压而成,表面积大而刚度小,随着曲轴箱的振动而辐射出大量噪声。许多学者针对油底壳这类薄壁结构进行研究,文献[ 2 ]、文献[ 3 ]通过实验方法对发动机的薄壁件进行了分析,得出施加结构阻尼材料可以降低薄壁件的辐射噪声;文献[ 4 ]提出在油底壳结构上布置加强板来提高结构刚度从而降低辐射噪声,但是未考虑油底壳中储存润滑油的情况。由于发动机工作时油底壳中的润滑油与油底壳相互作用会对结构的动态特性及声学特性产生影响[ 5 ] , 运用有限元/边界元法( FEM /BEM)进行分析时应该考虑这个因素,从而得到精确的结果。对于润滑油的模拟,文献[ 6 ]运用附加质量的方法,该方法可以降低求解计算量和存储空间,但附加质量的确定比较困难。
文中针对某六缸柴油机在标定工况条件下,对油底壳结构采用FEM /BEM直接求解结构的流固耦合方程得到了结构辐射噪声功率级,并且与实验结果进行了对比验证,在此基础上提出两种降低该类薄壁结构辐射噪声的方法,且均具有一定效果。
2有限元流固耦合方程与边界元方程
在油底壳结构中,流体与固体相互作用的部分为流固耦合区,流体的振动对固体表面产生压力,固体表面的振动会引起流体的扰动,为流体提供速度或加速度载荷。流固耦合的运动学方程为 式中Ms、Cs、Ks 为固体结构的质量、阻尼、刚度矩阵;Mf、Cf、Kf 为流体的质量、阻尼、刚度矩阵; A 为流固耦合质量矩阵; us、p分别为固体结构对应节点位移与流体结构对应节点压力; ps、pf 分别为作用在
固体与流体上的载荷。
通过有限元流固耦合方程可以计算得到结构的振动响应数据,但是还须对结构振动对周围外声场产生的辐射噪声特性进行分析。假设声学系统为线性,将结构的振动作为声学系统的输入量,声学系统的边界元方程可以描述为式中P为声压, ATV (ω)为声音传递向量(Acoustic TransferVector) ,ω为频率, vns (ω)为结构表面法向振动速度,其中ATV (ω)取决于油底壳的几何形状、润滑油特性、油量及空气的特性阻抗[ 7 ] 。
3模型计算与实验验证
建立油底壳模型及包含润滑油的流固耦合模型如图1。在Nastran中计算油底壳在自由状态下的模态参数,包括模态频率及对应的振型,同时对油底壳结构进行实验模态参数识别,结果如表1所示,有限元计算模态与实验模态结果吻合较好,说明了有限元模型的正确性,可利用其进行频率响应计算。
图1 油底壳结构及润滑油有限元模型
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