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    1.背景描述

    涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量,进而增加发动机的输出功率。近年来,增压发动机的增多和压比的日益提高,使涡轮增压器噪音问题越来越关注。涡轮增压器噪声源主要有:由转子不对称导致的脉动噪声、涡轮叶片旋转噪声和结构振动噪声等。本文提出了一种新的模拟方法来研究涡轮增压器的主要噪声之一—结构振动噪声。

    2. 技术难点

    噪声源的精确预测,涡轮增压器的噪声源多,且涉及的物理现象复杂,目前对噪声源的研究多采用试验测量的方法。但试验方法存在诸多缺点,诸如测试时间长,多仅限于稳态工况等。

    涡轮增压器振动噪声问题由于其涉及结构部件较多,产生噪声机理较复杂,因此精确模拟器振动辐射噪声问题往往需要涉及多物理场的模拟能力。Actran可以很方便与多体动力学软件Admas、结构有限元软件Nastran耦合计算复杂的声学问题,获得辐射声场、声压和功率级的频响函数等。

    3. 案例介绍

    针对某型号的涡轮增压器,采用有限元声—振分析研究了其结构噪声,包括结构分析和声辐射。首先,采用模态分析技术评估增压器的动态性能,通过旋转轴的支撑激发涡轮增压器。然后采用声学有限元法考虑结构的振动作为周围空气辐射声能量的边界条件。

    涡轮增压器的有限元模型如图1所示。涡轮增压器由三部分主要外壳连接在一起:涡轮壳体、压缩机壳体、轴承箱。为精确表达出实验装置设置,加上四个管道,分别对应涡轮壳体和压缩机壳体的进口和出口。整个结构采用固体有限元建模,整个结构的阻尼定义为2%,壳体和螺栓之间的连接采用刚性元素模拟。

    采用四个不相关的力载荷作为结构激励,如图2所示。使用压缩机时,由于惯性和不平衡状态,车轮旋转引起轴承上的力。轴承将这些力传递给壳体,导致振动和声辐射。通过假定无限刚性轴承由两个主要方向的单位力加载,将轴承力实施在结构模态中。与X方向垂直的Y和Z方向的力应用在RBE3元素中央。通过结合两个90度相移的正交动态力的组合来描述由轴引起的旋转力。该模型的目的是提供轴上的力和涡轮增压机外表面的振动模式之间的传递函数。

     

    图1 涡轮增压器的有限元模型图         图2 四个不相关的力作为激励

    建立了用来传递和提取新鲜空气和燃烧气体的连接管的有限元模型,增加了模型的质量、刚度和惯性。但管的端部引入的局部刚度阻止了尾管的自由运动。用一个刚性支架将涡轮增压器固定在实验台上,用以约束管道连接处的垂直方向位移,边界条件如图3所示。


    图3 边界条件(左-施加在管末段的刚度,右-增压器的垂直支撑)

    计算了4000Hz以内的结构模态响应和动态分析(图4)。分别计算了与4种力(结构激励部分)相对应的四种载荷下的响应。外表面对应于三个主要外壳。


    图4 涡轮增压器表面的均方速度

    涡轮增压器的振动是周围空气的声激励源,假设周围的声介质不影响结构振动。仅考虑三个主要外壳(压缩机、轴承和涡轮机)的振动。试验台模拟了涡轮增压器的工作环境,其周围增加了两个反射平面。与实验装置相反,这两个平面在模拟中认为是无限的。四分之一的空间周围是无限元元素。该特征能够创造一个漫反射边界条件以及远场声辐射。


    图5 实验反射面(左)和ACTRAN等效声模型(右)

    计算了四种载荷下的声功率级,该模型仅关注2500Hz以下频段(图6)。正如所期望的,与结构模态对应的频率控制声辐射。所有模态都可能产生声辐射,但具有不同的辐射效率。


    图6 远场声辐射功率

    声功率的相近分析表明辐射的最高峰与振动最高峰并不对应,涡轮增压器的辐射效率不取决于频率。低频段的声辐射效率因子非常低。事实上,结构中的声传播是分散的,波动速度不是常数,表明低频模态不辐射,高频模态均辐射。故251Hz以下不算主要辐射模态,高频模态才是主导。基于所考虑的结构激励,辐射效率也可以像几何声响应那样突出特定的现象。


    图7 结构的辐射效率因子

    声辐射强调了5个有效辐射的结构模态—251Hz,576Hz,1061Hz,1667Hz,2242Hz。压缩机壳体比其他两个壳体振动和辐射更多。模态形状的分析表明向某个方向移动的模态更多地被应用在该方向的力所激励。由于压缩机壳体相对自由(软边界)及声学上有效振动模态,是涡轮增压机最主要的辐射区域。

       

                      251Hz                                            576Hz

       

                      1061Hz                                          1667Hz


                      2242Hz

    图8 模态形状和近场声辐射比较

    4.总结

    分析结果表明是结构模态导致了声辐射,然而不仅振动级且模态形状必须考虑在内,这是掌握声学行为框架的重要结论。在声辐射中也考虑了激励本身的影响。声辐射依赖于频率和结构的几何形状。其位置和方向对声辐射具有重要影响。

    Actran同时,能够完成复杂几何结构内、外部的声传播计算。Actran能够精确模拟现有产品,并且得到的仿真结果比物理实验生成的信息更全面,使得工程师可以很快找出主要噪声源,进行针对性的降噪措施。