本文關(guān)鍵詞：考慮多種激勵源的柴油機振聲模擬技術(shù)研究

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【摘要】：隨著柴油機向高功率密度方向發(fā)展,其工作轉(zhuǎn)速和功率密度逐漸提升,整機結(jié)構(gòu)振動和噪聲問題越來越受到人們的關(guān)注,振聲特性逐漸作為一項關(guān)鍵指標(biāo)逐漸融入內(nèi)燃機設(shè)計中。內(nèi)燃機的激勵載荷分析作為整機振動噪聲問題的研究基礎(chǔ),是整機振聲分析結(jié)果可信性的重要保證。本文從內(nèi)燃機整機工作過程中所形成的多種激勵源出發(fā),結(jié)合實驗研究,系統(tǒng)研究了引起整機結(jié)構(gòu)振動噪聲的激勵載荷形成原理及相關(guān)數(shù)值模擬方法。結(jié)合所建立的整機動力學(xué)分析模型,完成結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究,并對整機輻射噪聲進(jìn)行精確預(yù)估分析,對內(nèi)燃機主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化分析,主要研究內(nèi)容如下:根據(jù)發(fā)動機臺架性能實驗測試結(jié)果,采用模塊分解法,完成發(fā)動機性能仿真模型的建立,并對發(fā)動機燃燒性能以及進(jìn)、排氣系統(tǒng)氣流特性參數(shù)進(jìn)行分析,借助三維流體動力學(xué)理論,對發(fā)動機進(jìn)、排氣管路內(nèi)氣體脈動壓力進(jìn)行分析,應(yīng)用Lighthill流體聲學(xué)類比理論對氣體流動過程中所形成的偶極子聲源產(chǎn)生的聲壓及頻率分布特征進(jìn)行預(yù)測分析。采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)縮聚理論,分析了非線性阻尼彈簧單元及流體動力潤滑油膜支撐作用對內(nèi)燃機曲軸系統(tǒng)主軸承載荷的影響,同時探討了主軸承軸心軌跡、油膜壓力和油膜厚度等潤滑特性以及曲軸的扭轉(zhuǎn)振動,并獲得曲軸主軸承動態(tài)激勵載荷分布規(guī)律和載荷峰值特征。應(yīng)用多物理場耦合分析理論,根據(jù)溫度場測試信息,對發(fā)動機燃燒室組成構(gòu)件的結(jié)構(gòu)工作變形進(jìn)行分析。通過所建立的活塞二階運動分析模型,對活塞的敲擊運動進(jìn)行研究,同時探討了內(nèi)燃機冷卻水套不同控制參數(shù)對活塞敲擊力的影響規(guī)律。利用多質(zhì)量模型和多體動力學(xué)分析方法,對發(fā)動機配氣機構(gòu)多因素影響下的氣門構(gòu)件的運動規(guī)律進(jìn)行了研究,應(yīng)用碰撞接觸理論,建立了氣門落座力的數(shù)值計算模型,并確定模型中接觸剛度和力學(xué)指數(shù),同時探討了氣門落座峰值載荷與恢復(fù)因子、氣門質(zhì)量及氣門落座速度等參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)合內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)動態(tài)實驗測試,采用相關(guān)性驗證分析方法,完成發(fā)動機復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析模型,通過分析可知,在引入進(jìn)、排氣管路結(jié)構(gòu)后,整機模態(tài)密度發(fā)生了改變,模態(tài)響應(yīng)函數(shù)峰值整體左移,同時凸顯峰值的模態(tài)階數(shù)數(shù)量有所增多,模態(tài)參與因子在400~600Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)貢獻(xiàn)量較大。整機高頻振動區(qū)域主要集中于發(fā)動機進(jìn)、排氣管路和氣門罩及機體下部的油底殼處。應(yīng)用CFD/BEM聲學(xué)耦合分析方法,耦合進(jìn)、排氣管路氣體脈動壓力及偶極子聲源,對整機的外輻射聲場進(jìn)行預(yù)估分析。結(jié)合整機組成構(gòu)件聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果,針對發(fā)動機主要輻射噪聲結(jié)構(gòu)件油底殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化分析,進(jìn)而降低整機的輻射噪聲水平。
【關(guān)鍵詞】：內(nèi)燃機輻射噪聲 氣動噪聲 活塞敲擊力 多場耦合 聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK421
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 變量表15-23
• 第1章 緒論23-42
• 1.1 研究背景及意義23-25
• 1.2 內(nèi)燃機振動噪聲研究現(xiàn)狀25-31
• 1.2.1 內(nèi)燃機振動噪聲形成的原因25-26
• 1.2.2 內(nèi)燃機振動噪聲研究概況26-28
• 1.2.3 氣動噪聲研究方法28-29
• 1.2.4 氣動噪聲聲類比理論29-30
• 1.2.5 內(nèi)燃機振動噪聲國內(nèi)研究現(xiàn)狀30-31
• 1.3 內(nèi)燃機運動機構(gòu)的載荷激勵31-35
• 1.3.1 內(nèi)燃機缸內(nèi)高壓沖擊載荷32
• 1.3.2 內(nèi)燃機運動機構(gòu)動態(tài)沖擊載荷32-35
• 1.4 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)振動噪聲形成及分析方法35-39
• 1.4.1 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)振動噪聲形成35-36
• 1.4.2 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)振動噪聲分析方法36-39
• 1.4.2.1 有限元法36-37
• 1.4.2.2 邊界元法37-38
• 1.4.2.3 有限元/邊界元耦合分析法38-39
• 1.4.2.4 聲學(xué)傳遞向量分析法39
• 1.5 本文研究目的及主要工作內(nèi)容39-42
• 1.5.1 本論文研究目標(biāo)39
• 1.5.2 本論文的研究內(nèi)容39-42
• 第2章 發(fā)動機進(jìn)、排氣管路氣動載荷與噪聲分析42-64
• 2.1 計算流體動力學(xué)基本理論42
• 2.2 流體動力學(xué)的基本方程42-45
• 2.2.1 質(zhì)量守恒方程43
• 2.2.2 動量守恒方程43-44
• 2.2.3 能量守恒方程44-45
• 2.3 流體控制方程求解方法45-46
• 2.4 發(fā)動機進(jìn)、排氣系統(tǒng)的流動特征46-50
• 2.4.1 湍流流動過程分析46-47
• 2.4.2 湍流流動的基本方程47
• 2.4.3 流體湍流模型47-50
• 2.5 發(fā)動機系統(tǒng)仿真分析50-52
• 2.5.1 柴油機工作過程仿真計算模型建立50-52
• 2.5.2 發(fā)動機進(jìn)、排氣系統(tǒng)計算參數(shù)52
• 2.6 發(fā)動機進(jìn)、排氣管路振動噪聲分析52-63
• 2.6.1 發(fā)動機進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理52-54
• 2.6.2 發(fā)動機進(jìn)、排氣過程管路流場數(shù)值模擬分析54-55
• 2.6.3 進(jìn)、排氣管脈動壓力載荷分析55-56
• 2.6.4 進(jìn)、排氣管聲學(xué)特性分析56-63
• 2.7 小結(jié)63-64
• 第3章 曲軸系統(tǒng)彈性流體耦合動態(tài)激勵特性分析64-90
• 3.1 引言64
• 3.2 多體動力學(xué)提出與求解64-68
• 3.2.1 多柔體動力學(xué)65-67
• 3.2.2 有限元模態(tài)綜合法的動態(tài)子結(jié)構(gòu)縮聚67-68
• 3.3 發(fā)動機曲軸系三維多體動力學(xué)分析68-78
• 3.3.1 曲軸系統(tǒng)柔性體結(jié)構(gòu)部件建模68-71
• 3.3.2 機體結(jié)構(gòu)動態(tài)子結(jié)構(gòu)縮聚模型71-73
• 3.3.3 結(jié)構(gòu)件柔性體非線性連接副73-76
• 3.3.4 曲軸動力學(xué)模型的外部載荷76
• 3.3.5 整機柔性多體動力學(xué)模型的搭建76-78
• 3.4 曲軸主軸承載荷分析78-79
• 3.5 主軸承彈性流體潤滑狀態(tài)載荷分析79-84
• 3.5.1 主軸承彈性流潤滑軸承載荷80-81
• 3.5.2 軸心運動軌跡分析81-82
• 3.5.3 峰值油膜壓力與最小油膜厚度分析82-84
• 3.6 曲軸扭振特性分析84-86
• 3.6.1 曲軸系扭轉(zhuǎn)自由振動分析84-85
• 3.6.2 額定工況下曲軸扭振分析85-86
• 3.7 曲軸系扭振試驗測試分析86-88
• 3.7.1 曲軸扭振測試原理86-87
• 3.7.2 試驗臺架的布置87
• 3.7.3 發(fā)動機曲軸扭振動試驗結(jié)果87-88
• 3.8 小結(jié)88-90
• 第4章 活塞組件多場耦合二階運動建模與仿真技術(shù)研究90-112
• 4.1 引言90
• 4.2 活塞二階運動分析方法及其理論90-91
• 4.2.1 活塞二階運動的分析方法90-91
• 4.2.2 活塞二階運動原理91
• 4.3 內(nèi)燃機活塞二階運動分析91-93
• 4.3.1 活塞組件系統(tǒng)動力學(xué)方程91-92
• 4.3.2 活塞與缸套間的潤滑因素及求解過程92-93
• 4.4 活塞動力學(xué)仿真模型建立93-100
• 4.4.1 活塞-缸套組件有限元模型93-94
• 4.4.2 氣缸套和活塞結(jié)構(gòu)件溫度場分析94-99
• 4.4.3 氣缸蓋、活塞溫度場測試99-100
• 4.5 氣缸套和活塞結(jié)構(gòu)件多場耦合變形分析100-102
• 4.5.1 多場耦合變形分析有限元模型100-101
• 4.5.2 計算邊界條件101
• 4.5.3 燃燒室結(jié)構(gòu)件變形結(jié)果101-102
• 4.6 活塞敲擊運動分析102-106
• 4.6.1 活塞二階運動分析模型建立102-103
• 4.6.2 活塞運動特性分析103-104
• 4.6.3 活塞側(cè)推力104-105
• 4.6.4 活塞動態(tài)敲擊力105-106
• 4.7 發(fā)動機不同冷卻效果對活塞二階運動的影響106-111
• 4.7.1 冷卻液溫度對活塞二階運動的影響106-108
• 4.7.2 冷卻液流量對活塞二階運動的影響108-111
• 4.8 結(jié)論111-112
• 第5章 發(fā)動機配氣機構(gòu)非線性動力學(xué)特性分析112-125
• 5.1 引言112
• 5.2 發(fā)動機配氣機構(gòu)的動力學(xué)分析方法及建模112-117
• 5.2.1 配氣機構(gòu)動力學(xué)分析方法112-113
• 5.2.2 配氣機構(gòu)動力學(xué)分析模型比較研究113-116
• 5.2.3 配氣機構(gòu)動力學(xué)模型分析結(jié)果比較116-117
• 5.3 氣門運動過程沖擊載荷分析117-119
• 5.3.1 彈性結(jié)構(gòu)接觸力計算模型117-118
• 5.3.2 內(nèi)燃機氣門落座載荷分析模型118-119
• 5.4 內(nèi)燃機氣門落座載荷有限元模型驗證119-121
• 5.4.1 有限元模型119-120
• 5.4.2 材料特性及邊界條件120-121
• 5.4.3 氣門落座沖擊力求解121
• 5.5 氣門落座力計算模型121-124
• 5.5.1 氣門落座力計算模型參數(shù)確定121-123
• 5.5.2 氣門落座力模型參數(shù)分析123-124
• 5.6 小結(jié)124-125
• 第6章 內(nèi)燃機復(fù)雜結(jié)構(gòu)動態(tài)特性建模與分析技術(shù)研究125-147
• 6.1 引言125
• 6.2 整機動力學(xué)響應(yīng)分析模型的建立125-127
• 6.3 發(fā)動機整機模態(tài)計算127-130
• 6.3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論127-128
• 6.3.2 模態(tài)計算結(jié)果128-129
• 6.3.3 模態(tài)計算結(jié)果分析129-130
• 6.4 發(fā)動機結(jié)構(gòu)模態(tài)測試130-139
• 6.4.1 實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)理論基礎(chǔ)130-134
• 6.4.2 發(fā)動機結(jié)構(gòu)模態(tài)實驗測試134-139
• 6.5 發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析139-144
• 6.5.1 基于模態(tài)的強迫振動響應(yīng)分析理論基礎(chǔ)139-140
• 6.5.2 發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析140-144
• 6.6 發(fā)動機結(jié)構(gòu)表面振動測試144-145
• 6.6.1 試驗測試方案144
• 6.6.2 內(nèi)燃機表面振動測試144-145
• 6.6.3 結(jié)果分析145
• 6.7 小結(jié)145-147
• 第7章 內(nèi)燃機聲學(xué)耦合建模與結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化分析技術(shù)147-168
• 7.1 結(jié)構(gòu)輻射噪聲產(chǎn)生機理147-149
• 7.1.1 振動與噪聲的關(guān)系147-148
• 7.1.2 結(jié)構(gòu)振動聲輻射理論148-149
• 7.2 結(jié)構(gòu)輻射聲場數(shù)值求解理論149-152
• 7.2.1 三維聲場邊界元理論149-152
• 7.3 整機輻射噪聲預(yù)估分析152-159
• 7.3.1 邊界元分析模型建立152-153
• 7.3.2 邊界元分析測點的建立153-154
• 7.3.3 振聲耦合分析模型建立154
• 7.3.4 整機聲壓計算結(jié)果154-158
• 7.3.5 機體結(jié)構(gòu)聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析158-159
• 7.4 發(fā)動機整機聲功率測試159-161
• 7.4.1 聲功率及聲功率級159
• 7.4.2 聲功率級測試方法159-160
• 7.4.3 聲功率級測試結(jié)果160-161
• 7.5 內(nèi)燃機油底殼主要參數(shù)對整機輻射噪聲的影響161-166
• 7.5.1 油底殼結(jié)構(gòu)對聲輻射的影響161-163
• 7.5.2 油底殼材料對整機聲輻的影響163-165
• 7.5.3 油底殼厚度對整機聲輻射的影響165-166
• 7.6 本章小結(jié)166-168
• 結(jié)論與展望168-172
• 全文總結(jié)168-171
• 本文工作的主要特色171
• 對今后工作的建議171-172
• 參考文獻(xiàn)172-180
• 在讀博士期間發(fā)表論文與研究成果180-181
• 致謝181

【共引文獻(xiàn)】

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7 馬艷紅;李昊宇;李一峰;洪杰;;金屬橡膠材料吸聲特性試驗與分析[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報;2009年05期

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本文編號：593090