汽油机燃烧噪声与耦合结构的NVH性能研究

摘要

本研究围绕汽油机的燃烧噪声以及发动机NVH特性的预测及优化方法展开研究。建立了某汽油机的整机有限元模型用于燃烧噪声计算，通过缸压曲线与理论公式得到了缸盖、缸套以及主轴承上的燃烧激励。采用直接频率响应法及声学传递向量法计算了各方向激励单独引起以及一齐引起的振动响应及燃烧噪声，结合整机噪声的测试结果分析了燃烧噪声在整机噪声中的占比随转速的变化关系，并研究了汽油机燃烧噪声的频率特性及其与转速、缸内压力参数间的联系。对比不同激励引起的燃烧噪声，明确了主要的激励方向。根据有限元分析的结果，制定了结合仿真与试验的燃烧噪声优化流程，借鉴发动机衰减曲线的概念定义了燃烧噪声衰减曲线，分析了发动机的衰减特性随转速的变化。提出了燃烧参数—缸压—扭矩特性曲线的分析方法，结合衰减特性研究不同燃烧参数对缸内压力及燃烧噪声的影响，进而以此对该汽油机进行了燃烧噪声的优化，取得了良好的效果。采用多柔体系统动力学、模态综合法以及声学传递向量法对该汽油机进行了整机振—声响应的计算，通过与振动测试的结果对比发现，表面振动响应的计算值与测试值仍有一定差距，除了悬置参数与高频激励的影响，考虑造成这种结果的原因还有可能是模型的不完善，即未能将流固耦合的影响包含在内。为进行验证，对流固耦合中最常用的湿模态法进行研究，指出了其中流体刚度矩阵的奇异性问题，并提出了两种解决办法。分别应用这两种方法验证了冷却水对缸体—缸盖、润滑油对油底壳的结构特性以及NVH特性的影响，并重新计算了计及冷却水及润滑油的整机振—声响应，结果表明流体的影响不容忽视。为了更好地开展结构优化，根据模态叠加法以及圆形活塞式声源的离散计算法，推导了模态与辐射声功率的关系式，指出了模态追踪法所存在的不足。根据现有的声辐射过程中的模态非耦合与模态耦合假设理论，提出了模态部分耦合假设，进而建立了主要噪声贡献模态分析方法。理论推导证明，相比现有的两种假设，模态部分耦合假设在能量守恒方面更具有优势，是一种更合理的耦合情况假设。为了进一步进行验证，采用数值计算的方法对该汽油机的正时罩进行了振—声响应的计算，结果表明理论推导是完全正确的。最后，根据其主要噪声贡献模态分析图进行了验证性的优化，结果表明该方法能够定量地分析各阶模态对不同频率噪声的贡献，可以更好地指导结构优化。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 汽油机燃烧噪声计算及其特性分析

2.1 引言

2.2 燃烧噪声理论及计算流程

2.3 发动机各部件有限元建模及试验验证

2.4 不同方向燃烧激励的定义

2.5 边界条件

2.6 振动响应计算及结果分析

2.7 燃烧噪声计算及结果分析

2.8 本章小结

3 汽油机燃烧噪声优化的理论与试验研究

3.1 引言

3.2 燃烧噪声优化流程

3.3 燃烧噪声衰减曲线

3.4 燃烧参数—缸压—扭矩特性曲线

3.5 基于衰减曲线与特性曲线的燃烧噪声优化

3.6 本章小结

4 汽油机整机振动、噪声的仿真与测试

4.1 引言

4.2 多柔体系统动力学理论

4.3 发动机有限元模型网格尺寸的估算

4.4 模态综合法

4.5 发动机多柔体动力学建模

4.6 发动机振动响应分析

4.7 发动机表面辐射噪声分析

4.8 本章小结

5 流固耦合对发动机结构及NVH特性的影响

5.1 引言

5.2 大体积结构流固耦合理论

5.3 湿模态法的改进

5.4 冷却水对缸体—缸盖结构特性的影响

5.5 流固耦合油底壳的结构特性分析

5.6 考虑湿模态的整机振动、噪声仿真分析

5.7 本章小结

6 声辐射中的模态部分耦合假设与主要噪声贡献模态

6.1 引言

6.2 结构表面辐射噪声计算流程

6.3 非耦合与耦合假设理论

6.4 MPCA与DNCM理论

6.5 本章小结

7 模态部分耦合假设的数值验证与主要噪声贡献模态计算

7.1 引言

7.2 二阶四面体的有限元计算

7.3 正时罩模态的数值计算与验证

7.4 边界条件的定义

7.5 振动响应计算与验证

7.6 声学计算分析

7.7 DNCM分析

7.8 DNCM优化验证

7.9 本章小结

8 总结与展望

8.1 研究成果与结论

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

附录

作者简历

教育经历

攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参与的科研项目