6L16/24型柴油机振动噪声预测研究

田磊 谭登洪

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

船用柴油机是引起船舶振动与噪声的主要激励源，船用柴油机的振动和噪声过大将会给船上人员和机器设备带来许多危害：噪声过大会引起机舱工作人员的极度不适，长期在此环境下工作容易造成疲劳并损害身体健康；当船舶仪表和机械设备的振动频率等于或接近于它的工作频率时，会使这些仪表和设备的工作失常，缩短使用寿命，甚至造成失灵损坏；噪声过大会严重影响舰船作战性能和潜藏隐蔽性[1]。近年来，各国船东对船舶的舒适性要求愈来愈高，特别是振动与噪声的要求，世界各船级社制定了船舶振动噪声舒适性评价指标。柴油机振动噪声控制的实践表明，对现有柴油机振动噪声性能的改善是有限的，往往会造成人力、物力、财力的浪费，成本太高。因此，就需要在设计阶段考虑振动噪声性能指标，按照低振动、低噪声来进行设计。本文以6L16/24型柴油机为研究对象，建立其组合体结构的有限元模型，并进行了模态分析，然后利用有限元/边界元的方法进行振动噪声的仿真计算。

1 有限元模型的建立和模态分析

1.1 有限元模型的建立

利用HyperMesh软件建立了柴油机机体、气缸盖、油底壳和罩盖等薄壁零件的有限元模型，并将其按照一定的方式连接在一起，得到柴油机组合体结构的有限元模型如图1所示。

机体和油底壳，侧罩盖和机体以及上罩盖和气缸盖之间是通过连接螺栓连接在一起的，在有限元处理时，采用RBE2单元（刚性单元）来模拟螺栓连接；机体和气缸盖之间采用MPC（多点约束方程）算法来模拟作用力的传递[2]。

图1 柴油机组合体结构有限元模型

1.2 有限元模态分析

利用 ANSYS软件，采用 Lanczos算法，对组合体结构进行约束模态分析，约束油底壳与减震器相接触的所有节点的6个自由度。表1为组合体结构前10阶模态结果，图2到图5为其前4阶模态的振型图。

图2 第一阶模态振型

表1 组合体结构前10阶约束模态分析结果

2 柴油机瞬态响应分析

柴油机的辐射噪声与其表面振动情况密切相关，因此，要想预测柴油机的辐射噪声，首先要对柴油机进行瞬态响应分析，得到其表面振动数据。在前面建立的6L16/24型柴油机组合体结构的基础上，考虑其在实际工作情况下的载荷及边界条件，对其进行瞬态响应分析，获得其表面振动响应，为后续柴油机的噪声预测提供输入数据。

图3 第二阶模态振型

图4 第三阶模态振型

图5 第四阶模态振型

2.1 载荷及边界条件的确定

6L16/24型柴油机是六缸往复活塞式四冲程柴油机，其在实际工作时工况变化比较频繁，这里的分析主要针对 1000 r/min，90%负荷的工况下进行。主要考虑了以下载荷的作用：1) 缸盖底部所受气体压力；2)缸套所受气体压力；3)主轴承作用力；4)活塞侧推力。

缸盖底部承受气体燃烧压力，计算时将此压力均匀的施加在缸盖底部燃烧室平面处，图6为实验测得的，柴油机在转速为 1000 r/min，90%负荷下的示功图。

图6 示功图

作用在缸套上的气体压力位于活塞顶平面和缸套顶部之间，其大小和作用位置随曲柄转角不断变化，又由于建模时并未考虑在机体内部的缸套结构，所以计算时将缸套所受气体压力等效处理到缸套与机体的两个装配接触面上，以压强的形式施加。

主轴承作用力和活塞侧推力通过虚拟样机仿真分析软件ADAMS仿真得到。主轴承作用力的大小和方向是随曲柄转角而变化的，加载时将其分解为垂直分力和水平分力。在主轴承座内表面与其几何中心之间建立RBE2单元，将分解得到的垂直分力和水平分力以集中力的形式加载到这一几何中心点上；活塞侧推力仿造缸套所受气体压力的加载方式，将它等效处理到缸套与机体的两个装配接触面上[3]。

6L16/24型柴油机是通过 4个弹性减震器固定在底座上的，选取油底壳与减震器相接触面积上的所有节点，固定其6个方向的自由度。

2.2 瞬态响应分析

这里采用FULL法瞬态动力学分析，可由瑞利矩阵来确定系统的阻尼矩阵，即通过确定瑞利阻尼系数来考虑阻尼的作用。由经验公式求得瑞利阻尼系数 α＝24.3243，β＝3.7×10-5。

第一缸发火时刻合速度云图和上罩盖某点三个方向的速度时间历程曲线如图7所示。

3 柴油机结构噪声预测

利用 ANSYS软件计算完柴油机组合体结构的振动响应之后，通过APDL编程，将表面节点随时间变化的速度数据转化为表面节点随频率变化的速度数据，将其作为边界条件加载到SYSNOISE中，然后利用边界元的方法进行表面辐射噪声的预测。

图7 结果云图与时间历程曲线

3.1 柴油机边界元模型的建立

由于确定了选择BEM Direct Exterior分析类型，建立的边界元模型必须是一封闭的空腔[4]。一般情况下，边界元模型的尺寸需要重新确定，如果直接采用有限元网格的尺寸，计算时会耗费大量的时间和资源，边界元模型的网格尺寸一般比有限元模型的网格尺寸要大一些。建立的柴油机边界元模型如图8所示。

3.2 边界条件的确定

柴油机组合体结构边界元模型的边界条件来源于前面的振动响应分析，通过APDL编写的谱分析程序，将结构表面节点随时间变化的速度数据转化为表面节点随频率变化的速度数据，并写成 fre文件格式，将其作为边界条件加载到边界元模型上。将柴油机表面节点在5-1000 Hz下的速度边界条件导入到SYSNOISE中。图9为柴油机表面节点在300 Hz下的振动速度云图（单位：mm/s）。

3.3 结构辐射噪声计算结果

在建立了边界元模型，并施加了边界条件以后，就可以对其进行分析求解，得到其表面声学响应。然后通过设置流体属性，定义空间场点，就可以计算出空间场点的声学响应。求解的频率范围为5-1000 Hz，频率线性步长取为5 Hz，在各个频率点下进行求解。

图8 边界元模型

图9 300 Hz频率下柴油机表面振动速度云图

根据国家军用标准《GJB4058-2000》，场点表面定义为与声源基准体表面相距 1m处的一个六面体[5]，计算中定义盒场点，如图10所示。

图10 柴油机空间场点模型

图11为柴油机表面声压及空间场点声强在450 Hz下的分布情况。

选取柴油机上部靠近中间侧罩盖附近场点，其声强级1/3倍频程图如图12所示。

4 结论

柴油机振动噪声的控制研究一直是船舶减振降噪的一个重要研究方向，要想从根本上改善柴油机的振动噪声性能，就必需在设计初期综合考虑柴油机的振动噪声性能指标，按照低振动、低噪声的要求进行设计。本文以6L16/24型柴油机为研究对象，利用有限元/边界元方法对其声振特性进行了数值仿真，提供了一整套柴油机振动噪声预测的方法，为柴油机低噪声设计打下基础。

图11 柴油机表面声压及空间场点声强在450 Hz下的分布情况

图12 空间场点的声强级1/3倍频程

[1]余探，张雍源，范建新.国内外中速柴油机发展概况.柴油机，1997，（05）：1-5.

[2]苏铁熊等.复杂结构结合部动力学仿真模型研究.华北工学院学报，2001(3)：P218-222.

[3]周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社，1998.

[4]Austen A E W, Priede T.Noise of Automotive Diesel Engines: its causes and reduction.SAE paper 650165

[5]中华人民共和国国家军用标准：舰船设备噪声、振动测量方法(GJB4058-2000).