基于多物理场耦合的柴油机仿真模型研究与声学性能优化设计

摘要

高强化柴油机是今后发动机行业发展的主流，而发动机强化后所出现的可靠性问题与振动噪声问题也日益凸显，解决这些问题成为内燃机工作者面临的重要责任。本文结合数字化仿真技术与试验分析技术对多物理场耦合条件下的柴油机可靠性与NVH性能进行了深入地研究，取得了显著的成果。
　　建立了柴油机结构件与冷却水套的流固耦合计算模型，采用沸腾传热模型详细分析了柴油机在高热负荷下的散热性能，并以水套传热计算的结果为边界条件计算了柴油机主要结构件的温度场与应力场。在此基础上，对发动机的冷却水套进行了优化设计，提高了冷却系统的散热性能，改善了结构件的应力分布状况。
　　对发动机曲轴在复杂耦合边界条件下的疲劳强度性能进行了深入研究，建立了带液力润滑轴承模型的曲轴多体动力学耦合计算模型，通过对比不同轴承模型的计算结果证明了轴承热力学性能对轴系动力学性能预测的重要性。以热弹性液力润滑轴承的曲轴多体动力学模型为基础，研究了曲轴的动态应力分布与疲劳强度性能，结合曲轴疲劳强度试验证明了曲轴数字化分析模型在曲轴疲劳强度设计中的重要性。
　　首次将波束形成法应用于识别发动机噪声源，大幅提高了噪声源识别的效率与准确性。通过建立运动件多体动力学与液力润滑轴承耦合的整机计算模型对发动机噪声性能进行了预测，并对通过发动机振动与噪声测量结果验证了计算模型的可靠性。以噪声预测结果为基础，通过模态追踪法、形貌优化法对发动机主要结构件的噪声性能进行了改进设计，大幅降低了结构件的辐射噪声。
　　通过测量柴油机的缸内燃烧状态、表面振动加速度以及辐射噪声，研究了传统衰减曲线法在柴油机噪声预测上的应用，指出了其优缺点。通过对柴油机的燃烧噪声影响因素的全面细致研究，找到了影响柴油机燃烧噪声的关键因素。提出了一种全新的基于噪声变化量的燃烧噪声优化方法，采用单变量寻优，多变量最优组合验证的方法对全转速工况下柴油机的噪声性能进行了优化设计。在国内率先完成了通过电控调节降低柴油机燃烧噪声和整机噪声的研究，为今后内燃机燃烧噪声控制的研究提供了重要的理论依据和工程应用基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背晕及意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 发动机散热系统流固耦合研究进展

1．2．2 曲轴-轴承系统数字化仿真技术的研究进展

1．2．3 发动机结构辐射噪声的研究进展

1．3 课题研究内容

2．基于流固耦合模型的柴油机结构件多物理场分析及改进设计

2．1 概述

2．2 流固耦合计算方法介绍

2．3 流体运动及换热的数学模型

2．3．1 质量守恒方程

2．3．2 能量守恒方程

2．3．3 动量守恒方程

2．3．4 湍流模型

2．3．5 单相流沸腾传热模型

2．3 流固耦合法在柴油机结构设计中的应用

2．3．1 柴油机基本参数介绍

2．3．2 有限元前处理

2．4 传热边界条件

2．4．1 缸内气体换热过程

2．4．2 缸套表面换热系数

2．4．3 进排气道内换热边界

2．4．4 发动机表面换热边界

2．5 材料属性与计算模型设置

2．6 沸腾传热计算结果分析

2．6．1 沸腾传热计算的必要性研究

2．6．2 冷却液流动速度的分布

2．6．3 冷却水套壁面换热系数分布

2．7 发动机温度场分析

2．7．1 温度场计算基本原理

2．7．2 温度场计算结果分析

2．8 发动机热应力计算

2．8．1 热直力计算的基本原理

2．8．2 热应力计算结果分析

2．9 冷却水腔的优化设计

2．10 改进后计算结果分析

2．11 本章小结

3 基于热—弹性轴承与多体动力学耦合模型的柴油机曲轴疲劳强度研究

3．1 概述

3．2 柔性体多体动力学方程

3．3 模态综合技术

3．4 液力润滑轴承的建模研究

3．4．1 考虑轴颈倾斜的拓展雷诺方程

3．4．2 油膜厚度方程

3．4．3 油膜能量方程

3．4．4 混合摩擦区的接触方程

3．4．5 轴承运动方程

3．5 曲轴多体动力学模型的建立

3．5．1 发动机结构件有限元建模

3．5．2 多体动力学建模与边界条件设置

3．6 轴承动力学仿真结果分析

3．7 曲轴疲劳强度分析

3．7．1 曲轴瞬态响应计算方法

3．7．2 曲轴的疲劳性能数值计算

3．7．3 曲轴疲劳强度试验

3．8 本章小结

4 内燃机噪声源识别及波束形成法测试技术研究

4．1 概述

4．2 表面振动速度测量法

4．2．1 表面振动与辐射噪声的关系

4．2．2 声辐射效率试验研究

4．2．3 振动速度法的应用

4．3 声强法噪声源识别技术

4．3．1 柴油机前端声强分布规律

4．3．2 柴油机顶端声强分布规律

4．3．3 结果分析

4．4 波束形成法噪声源识别技术

4．4．1 线阵列接收单声源原理

4．4．2 线阵列接收多声源的原理

4．4．3 平面矩形阵列接收单声源原理

4．4．4 平面阵列的应用

4．4．5 结果分析

4．5 本章小结

5 基于多物理场耦合模型的柴油机低噪声优化设计

5．1 概述

5．2 轴承建模精度对有发动机NVH性能预测的影响

5．2．1 发动机整机有限元模型的建立与试验验证

5．2．2 多体动力学建模

5．2．3 计算结果分析

5．3 发动机动态响应分析

5．3．1 发动机多体动力学模型的实验验证

5．3．2 频率响应分析方法

5．3．3 频率响应计算结果

5．4 发动机声学性能分析与优化设计

5．4．1 边界元法声学预测技术

5．4．2 发动机表面辐射噪声结果分析

5．5 发动机结构辐射噪声的改进

5．5．1 机体声学性能优化

5．5．2 油底壳声学性能优化

5．6 本章小结

6 柴油机燃烧噪声及其影响因素的理论与实验研究

6．1 概述

6．2 试验条件介绍

6．2．1 振动噪声测试设备介绍

6．2．2 柴油机燃烧分析系统介绍

6．2．3 高压共轨柴油机电控系统介绍

6．3 衰减曲线法在燃烧噪声分析中的应用

6．4 缸内压力信号的分解

6．5 柴油机燃烧噪声的影响因素

6．5．1 转速与负荷对柴油机燃烧噪声的影响

6．5．2 燃烧室形状对燃烧噪声的影响

6．5．3 进气系统对燃烧噪声的影响

6．5．4 冷却液温度对燃烧噪声的影响

6．5．5 喷油压力对燃烧噪声的影响

6．5．6 主喷提前角对燃烧噪声的影响

6．5．7 预喷提前角对柴油机燃烧噪声的影响

6．5．8 预喷油量对燃烧噪声的影响

6．6 本章小结

7 柴油机燃烧过程优化及燃烧噪声控制研究

7．1 概述

7．2 试验设备与试验方法介绍

7．2．1 试验设备介绍

7．2．2 试验方法介绍

7．3 燃烧噪声优化结果介绍

7．3．1 1000 r／min的燃烧噪声优化结果介绍

7．3．2 2000 r／min的燃烧噪声优化结果介绍

7．3．3 2600r／min的燃烧噪声优化结果介绍

7．4 柴油机外特性工况下的燃烧噪声优化结果

7．5 本章小结

8 全文总结

8．1 研究成果和结论

8．2 创新点

8．3 研究展望

参考文献

作者简历