ATV技术在SF480型柴油机机体结构
声辐射预测中的应用
刘玉梅1，袁文华1，潘立志2
(1. 邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422004；
2. 武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉，430072)
摘 要：结合有限元法(FEM)和边界元法(BEM)，采用虚拟样机技术对内燃机噪声辐射的频域特性进行预测分析。其步骤为：用有限元软件ANSYS进行结构动态特性分析；建立机体、曲轴和连杆、活塞等组成整机多体动力学模型，求解传递给机体的各种激励力；采用声学分析软件SYSNOISE建立机体的边界元模型，分析其表面振动速度与声场间的声学传递向量(ATV)。研究结果表明：在额定工况下，其机体裙部是主要噪声辐射部位；辐射声功率级较突出的峰值频率与整机固有频率基本对应，在中高频段其噪声辐射效率比低频段的高。
关键词：柴油机；机体；噪声辐射；声学传递向量；边界元法
中图分类号：TK427 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)05-1294-05
Acoustic-radiation prediction of SF480 engine
block based-on acoustic transfer vector
LIU Yu-mei1, YUAN Wen-hua1, PAN Li-zhi2
(1. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang College, Shaoyang 422004, China;
2. College of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)
Abstract: Adopting acoustic transfer vector (ATV) concept, the finite element method (FEM) and boundary element method (BEM) were combined to predict noise-radiation of the engine body. The procedures were as follows: The dynamics characteristic was analyzed with FEM software ANSYS, while the normal surface vibration exciting forces forwarded to the engine body were calculated based on multi-body dynamic model assembled by block, crankshaft, connecting rod, and piston. A BEM model was built in software SYSNOISE to calculate its ATV of the boundary vibration velocity to the sound field. Finally a 4-cylinder diesel engine SF480 was taken as an application example. The results show that the skirt part of the diesel engine is the main noise source at the speed in mid-high frequency domain, and the peaks frequencies are corresponded to the natural frequencies of the block.
Key words: diesel engine; block; acoustic radiation; acoustic transfer vector (ATV); boundary element method
内燃机的声辐射主要是通过机体向外传播。内燃机机体承受惯性力、燃气压力等载荷(包括作用在曲轴主轴承上的轴承力，作用在缸套上的活塞撞击力与摩擦力等)激励结构振动。随着人类对环境要求的提高，内燃机噪声辐射问题备受重视，研究机体的声辐射特性及有效的噪声辐射控制手段，特别是在产品设计与改型阶段基于虚拟样机技术的低噪声机体设计方法，具有重要的工程实际意义。国内外研究者[1-10]对内燃机的振动和噪声辐射进行了大量研究，包括：曲轴和机体等的结构模态分析；考虑主轴承力和活塞撞击力，分析机体结构振动、噪声辐射以及对内燃机内部摩擦副的摩擦学行为的影响；结合多体动力学仿真、有限元和边界元法进行辐射噪声水平预测；低噪声机体的设计手段等。对内燃机的结构声辐射分析，常见的数值方法有传递矩阵法、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、统计能量法等。其中，有限元法和边界元法已成为研究三维任意复杂结构声辐射特性和声-振耦合机理的有效工具。20世纪90年代初，冯慧华等[11-14]结合FEM和BEM进行了内燃机主要零部件声辐射研究。然而，不论是有限元法、边界元法还是有限元-边界元耦合法，只要振动结构或激励载荷发生改变，就需重新进行计算。对于多工况条件下运行的内燃机，还要考察整个工作转速范围内的辐射噪声状况，计算量庞大。噪声传递向量(ATV)技术在很大程度上简化了发动机的声-振优化和多工况载荷条件下的声分析过程，在此，本文作者采用ATV技术，结合有限元和边界元法，分析SF480柴油机的噪声辐射特性，以便为该型号柴油机的机体结构动响应进一步优化、声-振特性和低噪声辐射结构修改提供依据。
1 ATV的基本思想
在简谐激励作用下，结构振动在外部流体介质中产生的辐射声压p满足Helmholtz微分方程：
应用加权残值法并考虑适当的边界条件，利用方程的基本解(三维自由空间格林函数)：
可得到Helmholtz直接和间接边界积分方程，对边界积分方程利用边界元法进行离散，得到边界元求解方程。该方法适用于无限大理想可压缩流体结构；对于柴油机这一类半无限理想可压缩流体中的结构，将自由场格林函数G(p, Q)替换为半自由场格林函数GH(p, Q)。
在传统声学中，时域波动控制方程和频域Helmholtz控制方程都是在假设声压波动足够小的前提下，对质量方程和动量方程进行线性化处理得到的，因此，发动机外声场系统可以看成线性系统。在声学系统中，“输入”和“输出”即产生声波的结构振动表面和空间一定位置域点的声压之间存在着某种确定性的线性关系[3]：
ATV概念的基本思路如图1所示。ATV取决于振动表面的几何形状、声响应的域点位置、分析频率、声传递介质的物理属性(声速和密度等)，而与振动结构的响应无关。ATV既可以通过边界元方法获得，也可以通过试验或有限元方法求取。发动机的几何形状、表面声学处理、频率以及空气特性决定发动机的ATV。已知声源表面振动速度时，可以通过ATV求得声场中任意点的声压，预测辐射噪声。
图1 ATV 的基本思路
Fig.1 Basic thought of ATV
2 机体噪声辐射分析步骤
基于ATV 概念，采用FEM -BEM 联合仿真策略，以某柴油机为例研究内燃机结构声辐射的预测方法。
a. 内燃机的结构有限元建模。在ANSYS中建立内燃机机体的有限元模型，并划分网格。
b. 内燃机机体的边界元建模。先对整机结构有限元模型进行表面“粗化(Coarsen)”处理，即保留法向面积较大的辐射面结构，忽略肋板、凸台和过渡圆角、细小的孔槽等，得到结构的边界元模型。
c. 建立包含n个域点的网格模型，用于内燃机结构外声场的声学参量分析。所设置的域点位置模拟相关标准中n1个基本传声器位置和n2个附加传声器的位置。
d. 结构边界元模型与结构外声场域点网格模型相组合，定义结构外场的声学介质物理属性参量，得到内燃机整机的声学边界元模型。利用Sysnoise分析软件，可求得结构表面到外场域点之间的ATV 关系矩阵。
e. 结构有限元模态结果向声学BEM模型的映射，将内燃机的结构动响应引入声学分析模型，按式(5)求解内燃机结构的声学响应。首先，将结构的有限元模态结果向声学边界元中的结构边界元模型进行投影；再将FEM 的结构动力学MPF (即Modal participation factors)导入声学分析模型中，对结构声辐射进行求解。
在建立FEM-BEM耦合分析模型及求解声辐射结果中，单方面考虑结构振动对声学响应的作用，忽略声学响应对结构振动的影响，将FEM和BEM 2个模型耦合。将结构MPF结果引入耦合模型，得到边界单元表面节点的法向振动速度：
由ATV 矩阵MATV和式(5)，可得到任一域点的声压p(ω)：
3 SF480型柴油机的应用分析
以SF480型四缸柴油机为应用实例，SF480是一种适应于轻型卡车、挖掘工程机械、独立空调机组、水泵机组、发电机组等排量为1.81 L、功率覆盖范围为24~28 kW的环保轻型柴油机，其主要技术参数见表1。
表1 柴油机的主要技术参数
Table 1 Main technical parameters
SF480柴油机的机体结构设计采用低噪声高刚度机体设计。采用曲面状上体，即机体上部水套外壁设计成与气缸相适应的圆柱状外壁；机体下裙部为与连杆大头运动轨迹相适应的圆弧形旋转面，即球体下裙部；采用干式薄壁(2 mm)气缸套。
首先，在PRO/E中建立机体的三维实体模型，导入ANSYS中网格化并完成动态特性分析，得到低阶固有频率(表2)和振型。然后，用多体动力学方法分析其结构振动激励。在Pro/E中建立SF480柴油机多体动力学模型，在模型的活塞顶部施加气缸爆发压力，计算振动传递给机体的各激励力。通过写*fre文件格式导入SYSNOISE。
在SYSNOISE中建立SF480的边界元模型，如图2所示。把有限元动态特性分析结果和多体动力学分析得到的振动向量作为声辐射边界元分析的输入条件，计算整机外部声场以及机体两侧面1 m处设置域点，获得3 kHz 以内各频率下的辐射声强。
表2 SF480柴油机机体的振动固有频率
Table 2 Natural vibration frequency of SF480 diesel engine block
图2 SF480箱体边界元模型
Fig.2 Boundary element model of SF480 diesel engine case
声辐射功率—频率响应函数见图3。其中：图3(a) 所示是频率为1.5 kHz时的辐射声压场分布云纹图，经分析可知，其机体裙部是主要噪声辐射部位；图3(b)所示为声辐射功率较大点的声辐射功率—频率响应函数，辐射声功率级为90 dB，较突出的峰值频率为0.90，1.10，1.30，1.90，2.05和2.25 kHz等，与整机约束状态下固有频率对应。因此，可通过提高机体动刚度和固有频率来降低整机辐射声功率。
(a) 频率为1.5 kHz时的辐射声压场; (b) 声辐射功率—频率响应函数
图3 SF480柴油机机体的声辐射仿真结果
Fig.3 Sonic radiation simulation results of SF480 diesel engine block
4 结 论
a. ATV 技术是一项可快速进行声学响应分析的新技术，适用于工况多变的内燃机声辐射分析。在设计或产品改型阶段，若仅改变内燃机内部承力和传力结构,而不改变结构边界形状，添加内部加强肋而没有改变结构表面几何形状，则无需重新计算ATV，可大大减少计算求解时间。
b. 通过仿真得到SF480柴油机各频率下的辐射声强规律，在SF480柴油机额定工况下，其机体裙部是主要噪声辐射部位；辐射声功率级较突出的峰值频率与整机固有频率基本对应，在中高频段其噪声辐射效率比低频段的高。该分析结果可为低噪声机体结构的优化设计提供依据。
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收稿日期：2009-02-20；修回日期：2009-04-20
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(07JJ6083)
通信作者：刘玉梅(1967-)，女，山西大同人，副教授，从事现代设计理论与方法研究；电话：0739-5305016；E-mail: sxliuyumei@126.com
