引言
油底殼屬薄壁件,其表面輻射噪聲約占柴油機(jī)總輻射噪聲級(jí)的15～22%左右。因此,研究油底殼振動(dòng)對(duì)于降低柴油機(jī)噪聲具有較大意義。目前,國(guó)內(nèi)外多用試驗(yàn)結(jié)合有限元法對(duì)油底殼進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)得到了無(wú)潤(rùn)滑油存在時(shí)的油底殼振動(dòng)參數(shù)；利用有限元法得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù),并以此為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在輻射噪聲計(jì)算方面,利用邊界元法預(yù)測(cè)了內(nèi)燃機(jī)部件的輻射噪聲。此前進(jìn)行的工作大多并未考慮潤(rùn)滑油的存在對(duì)油底殼振動(dòng)的影響,而內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),潤(rùn)滑油必不可少,因此有必要考慮潤(rùn)滑油的存在對(duì)油底殼振動(dòng)的影響�？紤]了耦合振動(dòng)的影響,介紹了一種有限元耦合方法在結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用。本文以4118Z型柴油機(jī)油底殼為例,采用軟件Sysnoise ,通過(guò)運(yùn)用流固耦合有限元法,計(jì)算了有潤(rùn)滑油存在的油底殼振動(dòng)模態(tài),并與無(wú)潤(rùn)滑油存在的油底殼模態(tài)作比較,發(fā)現(xiàn)油底殼的模態(tài)振型和頻率均有較大變化�；谝陨嫌�(jì)算,本文對(duì)上述影響進(jìn)行了數(shù)流固耦合有限元法概述流固耦合有限元法,一般用于流體質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響不可忽略的場(chǎng)合,其基本理論如下:
公式1 模態(tài)計(jì)算公式
其中: KS、MS ———結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量矩陣
KF、MF———流體剛度、質(zhì)量矩陣
FS、FA ———結(jié)構(gòu)、聲載荷向量
2 模態(tài)計(jì)算比較
本文首先計(jì)算了不含潤(rùn)滑油的油底殼結(jié)構(gòu)模態(tài),并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)模型的正確性;接著對(duì)含潤(rùn)滑油的油底殼進(jìn)行了耦合模態(tài)計(jì)算,并與此前的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振型和頻率均有較大變化。
2.1 結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算與驗(yàn)證
圖1為計(jì)算所采用的有限元模型示意圖,共3872個(gè)單元、1986個(gè)節(jié)點(diǎn), 結(jié)構(gòu)尺寸為X—0.653m、Y—0.19m、Z—0.322m。
圖1 油底殼有限元模型
表1對(duì)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)(錘擊法)所得的油底殼前4階模態(tài)頻率進(jìn)行了比較,最大誤差不超過(guò)5.7% ,這說(shuō)明計(jì)算所建立的有限元模型具有足夠的精度用于工程計(jì)算。
表1 試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)頻率比較
另外,由于試驗(yàn)采用單點(diǎn)錘擊法,使得某些油底殼固有頻率尚未激發(fā)出來(lái),這樣就出現(xiàn)了表1中的情況,即頻率并不是嚴(yán)格按照階數(shù)的順序進(jìn)行比較
2.2 模態(tài)比較
由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)油面高度會(huì)有所變化,所以本文計(jì)算了油面高度依次為油底殼總高度1/4、3/8、1/2、5/8、3/4時(shí)的油底殼耦合模態(tài)。
表2比較了油面高度為油底殼總高度1/ 4的耦合模態(tài)頻率和不含潤(rùn)滑油的模態(tài)頻率。從中可發(fā)現(xiàn)由于潤(rùn)滑油的存在,使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率發(fā)生了較大變化,最大幅度達(dá)到37. 4 %。
表2 含油與不含油的模態(tài)頻率比較
圖2 結(jié)構(gòu)模態(tài)與耦合模態(tài)振型比較
圖2的a-b為不含潤(rùn)滑油的油底殼前4階振型,e-h為含潤(rùn)滑油的油底殼前4階耦合振型。
通過(guò)振型比較,可發(fā)現(xiàn)除第1階振型外,其余幾階振型發(fā)生了較大變化,使振型比較變得相當(dāng)困難。以上計(jì)算表明,潤(rùn)滑油的存在使油底殼振動(dòng)參數(shù)發(fā)生了變化,必須進(jìn)一步預(yù)測(cè)這種影響。
2.3 數(shù)值預(yù)報(bào)
本文計(jì)算了油面高度依次為油底殼總高度1/ 4、3/ 8、1/ 2、5/ 8、3/ 4時(shí)的油底殼耦合模態(tài),圖3表示了前6階耦合模態(tài)頻率的變化。
圖3 耦合模態(tài)頻率變化
4118Z型柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2400rpm ,對(duì)不平衡的第二階慣性力沒有采取平衡措施,而且此時(shí)二階往復(fù)慣性力頻率為80Hz ,該柴油機(jī)的發(fā)火頻率也是80Hz ,因此可以認(rèn)為80Hz是振動(dòng)的主要激勵(lì)頻率。
計(jì)算表明,當(dāng)油面高度為油底殼高度的3/ 8、1/ 2等常用高度時(shí),耦合模態(tài)頻率在160Hz左右,正好是主要激勵(lì)頻率的一倍,因此該油底殼非常有可能產(chǎn)生基頻共振。這在整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)得到了證實(shí)。
隨著油面高度的上升,油底殼耦合模態(tài)頻率有所下降,某些階次下降幅度較大。
3 結(jié)論
1) 潤(rùn)滑油的存在對(duì)于油底殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性有著較大影響,設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮這種影響。
2) 流固耦合計(jì)算方法可以更合理地計(jì)算結(jié)構(gòu)在實(shí)際狀態(tài)下的固有頻率,為進(jìn)一步正確計(jì)算提供了保證。
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