柴油机薄壁件噪声源识别及降噪研究.pdf
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1、第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言气阀罩盖、齿轮室、油底壳等薄壁件通常是发动机主要噪声源,噪声占比为 40%60%,因此对薄壁件进行噪声源识别及降噪优化具有重要意义。根据激励传递途径的不同,部件辐射噪声可分为结构传递噪声和透射噪声1,但在发动机薄壁件辐射噪声中透射噪声难以确定,所以有学者对发动机薄壁件的 NVH 研究与优化时通常只考虑由机体振动激起的结构传递噪声2-5,忽略内部噪声激起的透射噪声。因此采取有效措施降低薄壁件
2、的辐射噪声,对部件的激励传递特性进行准确分析尤为重要。以某型柴油机薄壁件气阀罩盖为研究对象,首先通过 LMS Test Lab 测试系统对其进行模态试验,并基于模态试验结果利用参数型修正法对有限元模型进行参数修正;其次以采集的气阀罩盖模态扩展线框测点及螺栓处振动信号为输入,以模态扩展法、有限元及边界元法为基础,计算气阀罩盖的振动及声学响应并进行噪声源识别;最后利用隔声识别法doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2022.11.020柴油机薄壁件噪声源识别及降噪研究胡溧1,郑洛甲1,徐成辉2,谭征宇2,杨啟梁1,王华伟1(1.430065 湖北省 武汉市 武汉科技大学 汽车与
3、交通工程学院;2.430000 湖北省 武汉市 东风商用车有限公司技术中心)摘要 针对某柴油机薄壁件辐射噪声问题,以气阀罩盖为研究对象,测试与仿真相结合实现结构传递噪声与透射噪声的识别与分离。基于参数型修正法优化的有限元模型,分别以采集的模态扩展线框测点振动信号和螺栓处加速度信号为输入计算振动及声学响应并进行噪声源识别;通过隔声识别法试验验证噪声源识别结果的准确性;并研究气阀罩盖采取隔声减振与吸声措施时对整机噪声的影响。结果表明:模态扩展法与隔声识别法的噪声源识别结果一致,在 4004 000 Hz 频段以透射噪声为主,且透射噪声占比约 80%;气阀罩盖采用隔声减振措施时,在内侧贴复合板的效果
4、要优于外侧;采用轻量化低噪声复合气阀罩盖时,整机可降低 3.0 dB(A)。为发动机薄壁件噪声源识别及降噪提供新思路。关键词 噪声源识别;模态扩展法;透射噪声;隔声识别法;隔声减振 中图分类号 TB53;TK423 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0100-007引用格式:胡溧,郑洛甲,徐成辉,等.柴油机薄壁件噪声源识别及降噪研究J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):100-105,135.Study on noise source identification and noise reduction of diesel engine thin-wall
5、ed parts HU Li1,ZHENG Luojia1,XU Chenghui2,TAN Zhengyu2,YANG Qiliang1,WANG Huawei1(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,Hubei,China;2.Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center,Wuhan 430000,Hubei,China)Abstract Aiming at the problem
6、 of the radiation noise of thin wall parts of a diesel engine,taking the valve cover as the research object,the identification and separation of structural transfer noise and transmission noise were realized through the method of combining test and simulation.The finite element model was optimized b
7、ased on the parametric modification method,and the vibration and acoustic responses were calculated by taking the vibration signals of the measuring points of the modal expansion wire frame and the acceleration signals at the bolt as input,respectively,and the noise sources were identified.The accur
8、acy of the simulation noise identification results was verified by the sound insulation identification method;and the influence of sound isolation and vibration absorption measures on the whole diesel engine noise was studied.The results showed that the noise source identification results of the mod
9、al expansion method were consistent with those of the sound insulation identification method.The transmission noise was the main noise in the frequency bands of 4004 000 Hz,and the transmission noise accounted for about 80%.When sound insulation and vibration reduction measures were adopted on the v
10、alve cover,the effect of pasting composite plate on the inside was better than that on the outside;Using lightweight low noise composite valve cover,the overall diesel engine noise could be reduced by 3.0 dB(A).This method provides a new idea for noise source identification and noise reduction of th
11、in-walled engine parts.Key words noise source identification;modal expansion method;transmission noise;noise isolation identification method;sound isolation and vibration reduction收稿日期:2022-11-27101第 61 卷第 11 期胡溧 等:柴油机薄壁件噪声源识别及降噪研究验证基于模态扩展法进行噪声源识别的可行性,并根据噪声源识别结果进行隔声减振及吸声的降噪研究。以期为发动机噪声源识别提供新思路,为薄壁件低噪
12、声设计提供明确目标。1 基本理论1.1 模态扩展理论若整个气阀罩盖的有限元模型有N个自由度,其特征向量可以表示为 Nver,试验模型有 M 个自由度,通过试验测得的气阀罩盖振动向量为vMref,Mver 为与其对应的有限元特征向量。通过模态扩展技术可以实现由 vMref 得到 vNver,即仅用少量的振动试验测点数据可以识别出整个气阀罩盖有限元模型的振动特性。vNref 与 Nver 分别表示试验模型所有振动向量与有限元模型所有特征向量,若用vDref 与 Dver 分别表示试验缺失的振动向量与有限元模型与试验缺失的振动向量对应的特征向量,则 vNref 与 Nver 为:vNref=vvMr
13、efDrefH、Nver=vvMverDverH。若将试验测得的振动向量通过正交映射到有限元模型上,则有:vMrefMverm=776AA (1)式中 vMref 为已知量。由于运行工况下测得的振动特性的自由度M远小于有限元模型的自由度N,所以 Mver 很难直接求解,可以通过奇异值分解法得到此工况下对气阀罩盖振动特性影响较大的特征向量矩阵Mver,此时Mver 无限逼近Mver,对Mver求逆矩阵可得到 Mver-1,则模态参与因子 为=Mver-1vMref (2)根据模态参与因子 和模态特征向量 Nver 即可求出气阀罩盖有限元模型的所有节点振动特性 vNver,表达式为vvv Nver
14、MrefDrefMverDverNvermm=77AHHA (3)从以上分析可以看出,模态扩展计算的过程减小了激励与阻尼的误差对计算结果的影响,极大地提高了计算的精度6-7。但对有限元模型和测试点也提出了更高的要求,要保证有限元模型的模态频率与试验模态频率误差更小且两者振型的相关性要高;试验线框模型的测点要能体现出气阀罩盖的轮廓,测点要均匀分布且距离不能太近、测点不能太少,否则会导致 Mver 出现线性相关的向量,造成奇异值分解精度降低;要保证式(2)有解,需要使测点自由度 M 大于关心频段的模态阶数。1.2 声辐射识别理论气阀罩盖辐射噪声的激励根据传递路径分类主要包括 2 个方面,一方面是曲
15、柄连杆机构、配气机构及齿轮运转产生的机械振动通过缸体经螺栓传递给气阀罩盖,形成了结构传递噪声 Wd;另一方面是气阀罩盖与缸体形成的密闭空间中空气噪声与气阀罩盖内表面相互作用通过气阀罩盖向外辐射,形成了透射噪声 Wt。郑康等8研究表明,将透射噪声与螺栓激励引起的表面辐射噪声耦合获得的总声功率与实际情况更接近,即总辐射噪声 Lw为lgLWWW10wtd0=+(4)式中:Wt,Wd 混响声源下的透射噪声声功率和螺栓激励下的表面辐射声功率,W;W0 参考声功率,通常为 10-12 W。基于模态扩展的部件辐射声功率与表面振动关系式为WcSv2vt=(5)式中:W 表面辐射声功率,W;声辐射效率;c空气特
16、性声阻抗,约为 400(kg s)/m2;S辐射面积,m2;v表面振动的均方速度,m/s。采集发动机气阀罩盖表面振动信号用于模态扩展计算出的辐射噪声 W,包括了结构传递噪声Wd与透射噪声 Wt,根据能量守恒原理,若总辐射噪声声功率与结构传递噪声声功率已知,则透射噪声声功率为 Wt=W-Wd (6)2 气阀罩盖动态特性识别及模态扩展的声辐射计算2.1 气阀罩盖模态分析及相关性验证自由模态测试在模态试验台架上进行,用弹性橡皮绳吊装气阀罩盖模拟自由边界条件,将 7 个三向加速度传感器根据测点优化布置原则与贴附可行性原则布置在气阀罩盖上,如图 1 所示,使用锤击法进行模态测试,用 LMS Test L
17、ab 采集系统采集加速度传感器与力锤信号,通过 H1 方法计算频率响应函数,并在 Ploymax 模块中完成模态频率与模态振型的识别,测试模态频率如表 1 所示。气阀罩盖材料为尼龙,据其结构特点采用 2 阶四面体划分有限元模型,模型含 474 941 个单元和930 245 个节点,原始材料参数分别为:弹性模量E=5 816 MPa、泊松比 Nu=0.35、材料密度=1.41 g/cm3。102农业装备与车辆工程 2023 年由 HyperMesh 软件完成自由模态计算,与测试模态相比频率误差较大。基于参数型修正法进行材料参数优化,优化数学模型为(7)式中:fj ca、fj ie计算模态、试验
18、模态第 j 阶固有频率,Hz;X(i)L、X(i)U 第 i 个设计变量的上、下限,上、下限为原始值,上、下浮动 10%。采用自适应响应面法进行目标函数的求解,优化后的材料参数弹性模量为 5 355 MPa、泊松比为0.35、材料密度为1.47 g/cm3,重新进行模态计算。将有限元模态计算结果与测试结果进行模态相关性分析,优化前后模态频率误差与振型模态置信准则值如表 1 所示。表 1 优化前后计算模态与测试模态对比Tab.1 Comparison of calculated and tested modes before and after optimization 阶数测试频率/Hz仿真频
19、率/Hz频率误差/%振型 MAC 值优化前 优化后优化前 优化后优化前 优化后1 47 55 4917.04.30.220.7221091141074.51.70.900.9131541651557.30.80.780.8141811881774.31.90.810.8252082242107.71.20.770.7862362482335.01.30.440.7372512642485.11.30.750.7782592702544.51.70.670.74模态振型的相似性用模态置信准则 MAC(Modal Assurance Criteria)评价,公式为,i jiTijTjiTj2 =_
20、ij (8)式中:i,j MAC 矩阵中的元素,每个元素代表了 2 个振型间夹角余弦;i、j 第 i 和 j 阶振型向量。MAC 矩阵中的各元素可以表示计算模态与试验模态振型的相关程度,MAC 矩阵对角线元素越接近 1,试验模态和计算模态振型的符合程度就越高。如表 1 所示,优化后的频率误差明显缩小且振型相似性提高。优化后的第 1 阶频率误差由 17.0%降低为4.3%,其余误差均小于2%,总体误差较小;优化后振型 MAC 值均在 0.70 以上,相似性较高,说明参数优化后的气阀罩盖有限元模型计算结果与模态测试结果吻合,通过有限元模型的模态频率和特征向量可以进行气阀罩盖的振动加速度识别。2.2
21、 气阀罩盖振动加速度识别及验证气阀罩盖怠速工况下主要辐射噪声频段在 4 000 Hz 以下,此频段内有 148 阶模态,气阀罩盖振动特性测点线框模型有 52 个测点,通过三向加速度传感器共采集 156 组加速度数据,大于模态阶数 148。以凸轮轴齿轮室处 1 号测点为相位参考点,采用分批次的方法在发动机台架上采集气阀罩盖怠速工况下的振动数据。将采集到的振动时域数据转换成频域数据并保留各点的相位信息,导入 LMS Virtual Lab 中计算得到各频率的振动云图,图 2 为第 1 阶约束模态频率 215 Hz 时的线框振动加速度云图。此时采集到的各节点振动数据不仅包括气阀罩盖与缸体紧固螺栓处传
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