内燃机油底壳模态分析及噪声预测

　　引　言

　　复杂结构的振动辐射噪声问题是工程中的难题之一,几乎不可能用解析方法来求取复杂结构振动辐射声功率和辐射效率等声场特性参数。随着数值计算方法的发展,有限元方法和边界元方法已成为研究复杂结构在外力作用下的稳态声辐射特性和声振耦合机理的有力工具[1]。

　　内燃机辐射噪声是各种机动车辆的主要噪声源之一,在内燃机表面辐射噪声中,薄壁构件包括油底壳、缸盖罩、正时齿轮室盖等辐射噪声占相当大的比例,降低其表面辐射噪声对内燃机的降噪有重要意义[2]。进行噪声优化设计的前提是能对内燃机模型的振动传递特性和辐射噪声进行较精确的预测。本文采用有限元法和边界元法建立了轻流体介质中复杂结构振动声辐射的分析模型,以6108柴油机油底壳为具体研究对象,用有限元计算其表面振动速度,进行相应数据处理后,再利用边界元法计算结构的辐射声功率、场点声压、固体声和辐射效率等声场特性参数。并对油底壳进行了模态分析,研究了约束条件及激励力作用位置对声辐射的影响。

　　1　辐射噪声预测方法及模型

　　预测辐射噪声需解决的问题是计算表面振动响应,再根据表面振动,计算辐射噪声。

　　1.1　有限元法计算油底壳强迫振动响应

　　在计算强迫振动响应时,假设结构受简谐激励,为线弹性振动。其结构动力方程为:

式中:M为质量阵;C为阻尼阵;K为刚度阵;u为位移向量;.u为速度向量;¨u为加速度向量。采用通用有限元计算软件,可以得到多点简谐激励下的表面振动响应。

　　1.2　辐射噪声边界元计算模型及方法

　　简谐激励力作用下结构振动在外部流体介质中产生的辐射声压p满足Helmholtz方程:

　　振动结构外场声辐射问题的边界条件为给定表面法向速度

　　p还必须满足Sommerfeld辐射条件,即在无限远处,声压为0。

式中,p表示声压,k为声波数,k=ω/c,ω为激励圆频率,c为介质中的声速。ρ为介质(空气)密度,vn为结构表面的法向速度。

　　利用格林函数G(Q,P)=e^-ikR/R,可得到Helmholtz积分方程:

　　C(P)是取决于P点在声场中位置的量,对于光滑表面S,当P点在辐射体内时,C(P)=0;当P点是位于辐射表面上的非奇异点时,C(P)=2π;当P点在辐射声场中时,C(P)=4π。

　　Helmholtz积分过程中存在问题主要是积分奇异性,而在内场声辐射问题的某些特征频率处是解决唯一的方法。解决的方法,采用复合Helmholtz积分方程。

　　对辐射表面的复合Helmholtz积分方程离散化后,可得到边界元求解方程: