活塞侧向力作用的船用柴油机噪声预报方法

杨延涛，曹贻鹏，马修真

(1.海军装备部招标中心，北京 100071;2.哈尔滨工程大学动力装置工程技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

在发动机的所有噪声源中，发动机表面的辐射噪声是主要的噪声源。它主要由燃烧噪声和机械噪声构成，当发动机高速运转时，机械噪声往往是最主要的噪声源。国内外研究表明，全负荷下柴油机的气缸体和油底壳表面辐射的噪声合计占整机噪声的55%左右［1］;通过缸盖与气缸盖罩表面辐射的噪声仅占整机噪声的18.7%，由此，气缸体和油底壳是发动机的2个最主要的噪声源。

柴油机振动噪声控制方法的提出依赖其整机振动噪声特性分析，目前柴油机振动声辐射计算分析最常用的方法是使用FEM/BEM［2－4］，使用FEM建立结构的有限元模型，在模型相应位置上施加已计算出的激振力，计算结构的表面振动响应，再把振动响应作为边界条件，使用BEM计算整机表面声辐射［5］。

在柴油机任意工作循环中，活塞做往复直线运动，此情况下活塞侧向力的大小和作用位置均随曲柄转角不断变化，此时采用频域分析方法无法同时描述此过程，使得柴油机振动噪声的频域预报方法与实际工作过程产生一定偏差，无法更准确获得柴油机振动噪声特征。通过已有分析，柴油机机体与油底壳为主要辐射面，在整机辐射噪声中占较大份额，因此，本文以TBD234V8柴油机的机体和油底壳为研究对象，基于时域动力学分析方法进行结构的响应分析，能够考虑到任一时刻侧向力作用位置随着曲轴转角的变化情况，再基于无限元方法［6］，建立声场模型，对机体表面辐射噪声进行时域的仿真计算，并以此计算结果为依据对模型较薄弱的部位进行加强，降低模型的表面辐射噪声。

1 模型的建立及模态分析

1.1 有限元模型描述及模态分析

发动机的机体形状复杂，决定其实际结构的几何参数很多，需要对模型进行简化，在建模过程中忽略结构的突台及外形轮廓上的附属结构，力求所创建的有限元模型具有较高的精度、适当的求解时间。本文中的有限元模型采用shell63壳单元和beam188梁单元来建立，如图1所示。shell63单元主要用于建立机体和油底壳的表面和内部隔板，beam188梁单元用于建立加强筋。

图1 有限元分析模型Fig.1 The finite element model

利用建立的有限元模型，选择有限元模态分析求解器的Lanczos方法，提取有限元模型前48阶自由振动模态值，为节省篇幅，本文仅选取了整机的弯、扭等几个比较有代表性的固有频率 (见表1)。

1.2 试验模态分析

对结构进行试验模态分析时尽量保证与有限元模型具有相同的边界条件，本文中对结构采用弹簧吊装，结构前几阶振动频率较低，仅有1～6 Hz，远远小于机体的第一阶固有频率，在试验过程中提取了机体1000 Hz以内的全部固有频率值 (见表1)。

有限元方法得到的结果和试验模态分析的结果比较见表1。前五阶模态反映的是整个机体油底壳模型作为一个整体的一阶扭转、弯曲振动模态，第六阶以后的模态基本为油底壳底面和侧面的局部振动模态。

由表1可以看出，除了第一阶固有频率相差较大外，其余计算出的固有频率与实测值的相对误差小于5%，满足工程要求，说明所建立的有限元模型动力学特性与真实结构基本一致，为其下一步的瞬态动力学分析提供了可靠的依据。

表1 计算与测试的固有频率比较Tab.1 The compare of natural frequency by calculation and experiment

2 结构的瞬态振动分析

通过上节对有限元模型的模态分析，已经得出了结构的固有频率和相应的振型，为研究结构表面的噪声辐射情况，还需利用已有的模型进行时域动力学分析，以求得结构表面在外力激励下的振动情况。

2.1 活塞侧向力的求解

作用在气缸套上的侧向力由2部分组成［5］，一部分是由气缸压力引起的，它主要产生在上止点附近;另一部分由气缸惯性力引起。由于前一种作用力比后者大得多，本文只考虑气缸压力引起的活塞侧向力。

气缸压力随曲轴转角变化曲线见图2。

图2 气缸压力曲线Fig.2 The curve of in-cylinder pressure

由文献［4］中的公式(7)，计算得到活塞侧向力的大小，如图3所示。

图3 活塞侧向力随曲轴转角的变化曲线Fig.3 The curve of piston side thrust with the crank angle

2.2 侧向力的作用位置

活塞侧向力的作用位置与活塞所处的位置有关，活塞侧向力主要通过活塞裙部和活塞环槽下缘部分作用在气缸套上。通常都把活塞裙部作为侧向力的作用位置，但是在做功冲程的起始时刻，活塞环槽下缘部分作用在气缸套上的力非常大，所以本文仅考虑这部分对气缸套的作用力，取主推力面上油膜力的作用角度为80°，把活塞环槽下缘部分的宽度作为侧向力的作用范围。

图4 活塞行程曲线Fig.4 The curve of piston stroke

2.3 结构的振动响应分析

对计算过程做合理简化，用相对较少的计算时间取得精确的计算结果:鉴于在侧向力最大值前后10°曲轴转角范围内，压力变化很大，这时取1°曲柄转角的时间作为时间间隔，在侧向力变化不是很大的范围内，取10°曲柄转角的时间作为时间间隔。

以曲柄转角为参考，在模型上施加已得到的活塞侧向力幅值，同时判断侧向力作用于主推力面还是副推力面上，计算内燃机1个工作过程内机体、油底壳上各点的响应。图5和图6分别列出了机体输出端和油底壳底面上一点的质点振速曲线。

活塞对缸壁的敲击发生在上止点和下止点附近，且以压缩行程上止点附近的敲击最为严重，敲击的强度决定于气缸的压力大小和活塞与缸套之间的间隙。本文计算的机型为八缸机，通过上图可以清晰地看出，每1个点在发动机1个工作过程内都有8个类似脉冲信号的速度的峰值，符合对活塞敲击的描述;同时，响应的幅值还取决于参考点与各气缸的距离。

3 结构的表面声辐射分析

为研究结构表面的噪声辐射情况，以结构表面节点法向振动速度为输入条件，编制计算程序，在结构模型数据库中提取表面节点振动值。

图7 机体上方1 m处声压级曲线Fig.7 The SPL curve one meter above the body

在已建立的机体和油底壳有限元模型基础上，建立无限元模型，计算柴油机辐射噪声特性，把无限元模型及相应的结构表面节点振动加速度值代入到SYSNOISE中，利用无限元方法计算声压场中各点的声压值。为了节省篇幅，这里只列出了几个有代表性位置的声压级曲线。图7为机体上方1 m处声压级的时域响应曲线。

如图7所示，与柴油机结构表面速度曲线趋势基本一致，对应活塞敲击气缸套的时刻，声压级都出现1个峰值，此时刻机体辐射声压大于其他的时刻。

图8 油底壳下方1 m处的声压级Fig.8 The SPL curve one meter below the oil pan

对场内各点的时域声压曲线进行FFT变换以求得到各点声压级的频域曲线，图8和图9是油底壳下方、机体前方1米处频域下的声压级曲线。

图9 整体结构前方1 m处的声压级Fig.9 The SPL curve one meter in front of diesel

4 油底壳结构的优化分析

降低内燃机结构振动噪声，通常从两方面着手:一是降低激励力幅值并调整激励力的频域结构;二是对结构进行声学优化，即通过改进主要声辐射部件的结构形式及尺寸参数来降低整机声辐射的水平［2］。由于控制发动机燃烧噪声和机械噪声受到发动机工作原理和性能要求方面的限制，在技术上很难采取措施，或者即使采取措施，往往降噪量也很有限。实践表明，在结构上采取措施阻断激振力的传递或降低表面声辐射效率对发动机噪声控制最有效;此外，增加结构刚度也可有效地减小发动机表面振动和辐射噪声。综合考虑，本文在机体辐射噪声分析方法研究的基础上，尝试在油底壳的底面及两侧面添加“井”型加强筋，增强油底壳整体刚度，降低柴油机辐射噪声。改进的有限元模型如图10。

图10 机体和油底壳的有限元模型Fig.10 The finite element model of body and oil pan

参考点选取油底壳下方1 m处，机体自由端和左端面1 m处，下面图11～图13就是结构修改之前和修改以后的机体辐射声压级的比较曲线。

图11为油底壳下方一点，油底壳底面加筋，改变了油底壳固有振动特性，辐射声压级在部分频段有一定程度的降低，曲线的总体趋势是下降的，也就是说，在油底壳底部加筋，提高油底壳的刚度，可以对油底壳的辐射声压级起到一定的降低作用。

图12为模型的右方一点，由于在油底壳的侧面也进行了加强，所以声压级有一定的改变，尤其是在频率低于2000 Hz的频率范围内，由于此位置声压级与机体表面的辐射声压也有关，而机体表面辐射声压占主要成分，所以没有取得像图11中的效果，但是在部分频段上，噪声级得到了降低。

图13是机体左端面前方的辐射声压级曲线，由于没有对机体作任何修改，活塞侧向力所产生的振动能量直接由机体向外传播，辐射效率高于油底壳，所以改进方案的辐射声压级曲线与原方案基本重合。

5 结语

1)本文建立了TBD234V8柴油机的机体和油底壳的有限元模型，并用实验模态分析方法验证了模型的正确性;在此基础上，进行了柴油机振动噪声预报并进行了结构的改进设计。

2)利用时域分析方法进行了整机在活塞侧向力作用下的振动噪声预报。计算柴油机在1个工作过程内的振动噪声响应。

本文采用的时域方法可以模拟出因活塞的移动，活塞对气缸壁侧向力作用位置和激励幅值的同时变化情况，与频域分析相比，与柴油机真实工作过程更一致，预报结果基本能够反映出活塞侧向力作用引起的结构表面振动声辐射随曲柄转角的变化情况。

由于本课题研究对象为通用结构，此分析方法可以用于船用、车用内燃机的振动噪声预报，对于燃烧噪声、活塞敲击噪声等其它幅值、作用位置随时间变化的激励作用下的整机振动噪声预报均适用。

［1］吴炎庭.内燃机噪声振动与控制［M］.北京:机械工业出版社，2005.110 －137.

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［5］戴旭东，王义亮.多缸内燃机缸体瞬态动力学分析［J］.内燃机学报，2003，21(3):277 －282.

［6］杨瑞梁.使用有限元和无限元耦合求解声辐射问题［J］.振动工程学报，2004，(5):1007 －1009.