内燃机薄壁件噪声和密封性能的仿真分析及结构优化设计

摘要

随着车辆及发动机产品不断向高速化、高强化的方向发展，传统的设计思想和方法面临着前所未有的挑战，迫切需要高效、节能和低成本的设计方法来满足越来越高的设计要求。与此同时，以有限元法为代表的CAE技术已经在内燃机零部件设计中得到了广泛应用，基于CAE技术的结构优化和汽车运动学、动力学仿真也逐步引入到汽车产品的设计流程当中。这一体系的数字化仿真技术提高了产品开发的效率和质量，能够从不同的专业的角度对产品做综合的评估。本文主要研究了数字化仿真在薄壁件噪声和密封性能方面的应用。
　　 本文研究内容以浙江大学振动噪声实验室与某汽车整车厂合作的某柴油机机油消耗及NVH性能改进项目为依托，对某发动机的油底壳，水泵壳和缸盖罩进行了低噪声设计。另外，考虑到该款式发动机在油底壳密封垫处的泄露问题，在对油底壳进行低噪声设计的过程中，也对此处的密封结构进行了密封性能分析，并提出了高面压力、低内应力的改进设计方案。具体内容如下：
　　 1)介绍课题的研究背景，总结了发动机噪声控制技术的发展历程及国内外行业的研究现状，手段和方法，并对发动机密封件的研究做了相关介绍，阐述了现代设计方法在仿真和优化发动机性能方面的应用。
　　 2)介绍了有限元及边界元基本理论，以及该方法在发动机薄壁件辐射噪声分析预测中的应用，按照分析流程依次进行了薄壁件结构的有限元模态分析，频率响应分析和声学仿真预测。
　　 3)为了给结构仿真分析提供有力的验证，保证分析精度，在发动机台架上测取了特征点加速度，并分别对柴油机薄壁件进行了实验模态分析，除此以外，还对发动机前端进行了声强测试。
　　 4)针对仿真分析的结果，选用形貌优化方法对发动机油底壳部件完成了以其低噪声设计为目的的设计，并对改进前后油底壳辐射噪声进行了对比分析。
　　 5)分析了静密封机理，讨论在微动状态下发动机静密封的失效模式，并在此基础上完成了对油底壳密封垫的有限元建模分析，进而提出了改善密封垫密封性能的结构改进方案。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题工程背景和研究意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究的重要意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 发动机噪声与振动研究现状

1.2.2 国内外发动机密封技术的研究现状

1.2.3 论文的主要研究工作和内容安排

2 柴油机薄壁件辐射噪声数字化仿真分析

2.1 有限元分析方法及其应用

2.1.1 有限元方法的一般原理及实施步骤

2.1.2 薄壁件结构的有限元模态分析

2.1.3 薄壁件结构的实验模态分析

2.2 频率响应分析

2.2.1 实验法频率响应分析

2.2.2 多体动力学边界频率响应分析

2.2.3 频响分析实验验证

2.3 边界元分析方法及其应用

2.3.1 边界元分析基本知识

2.3.2 边界元法薄壁件的辐射噪声预测

2.3.3 仿真预测结果分析与实验对比

2.4 本章小结

3 形貌优化方法及其在薄壁件低噪声设计中的应用

3.1 结构优化方法概述

3.2 形貌优化方法

3.3 形貌优化方法在油底壳低噪声设计中的应用

3.3.1 优化模态的选择

3.3.2 油底壳形貌优化与噪声分析

3.4 缸盖罩及水泵壳结构的低噪声改进设计

3.5 本章小结

4 发动机薄壁件静密封的失效机理研究及结构改进

4.1 概述

4.2 静密封机理及失效模型

4.3 微动状态下静密封的失效模型

4.3.1 失效机理分析及假想提出

4.3.2 有限元建模仿真分析

4.4 密封垫密封性能分析及结构改进设计

4.5 本章小结

5 全文总结

5.1 课题研究内容和创新点

5.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的主要科研项目

致谢