于繼清

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基于邊界元的船用柴油機(jī)振動(dòng)噪聲特性分析

于繼清

（渤海輪渡集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 264000）

柴油機(jī)是船舶的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，振動(dòng)噪聲作為柴油機(jī)的重要性能參數(shù)之一，一直成為相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。如果柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲水平過(guò)高，不但會(huì)影響船舶的綜合性能，更會(huì)影響乘員的舒適性，因此研究船用柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲特性并對(duì)其進(jìn)行控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但柴油機(jī)的振動(dòng)與很多因素有關(guān)，其噪聲特性相對(duì)復(fù)雜，采用邊界元分析方法對(duì)船用低速柴油機(jī)振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了研究，為相關(guān)領(lǐng)域提供了理論和實(shí)踐參考。

船舶動(dòng)力；低速柴油機(jī)；振動(dòng)噪聲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

近年來(lái)，我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展迅速，大功率船用柴油機(jī)在產(chǎn)能和效益上均有了較大的突破，然而我國(guó)在船用柴油機(jī)的生產(chǎn)上一直以來(lái)以技術(shù)引進(jìn)為主，核心技術(shù)被德國(guó)、芬蘭、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)壟斷，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)嚴(yán)重缺乏，因此提升我國(guó)船舶工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力勢(shì)在必行。船用柴油機(jī)是船舶的動(dòng)力設(shè)備，也是振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源，隨著船用柴油機(jī)功率的不斷升級(jí)，其激勵(lì)源的強(qiáng)度也隨之增加。自2014年起，國(guó)際海事組織規(guī)定了更加嚴(yán)格的船舶噪聲等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)船用柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲控制問(wèn)題更加突出[1]。本文通過(guò)邊界元分析法對(duì)船用二沖程低速柴油機(jī)的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的控制策略，具有較大的理論和實(shí)踐價(jià)值。

1 船用柴油機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 機(jī)械振動(dòng)

聲學(xué)研究表明，噪聲的本質(zhì)是振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是形成柴油機(jī)噪聲的根源，作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，柴油機(jī)內(nèi)部包含了大量的機(jī)械零部件，它們通過(guò)各種組合方式裝配在一起。但由于制造水平的原因，零件之間的配合總會(huì)有偏差，特別是運(yùn)動(dòng)部件與固定部件之間的配合間隙，成為主要的直接噪聲源。另外，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的換向和齒輪的嚙合也會(huì)引起空氣的激振，形成噪聲[2]。

1.2 燃燒噪聲

人們很早就認(rèn)識(shí)到，柴油機(jī)的振動(dòng)與燃燒是息息相關(guān)的，可燃?xì)怏w在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷作用在內(nèi)部零件和外部殼體上，從而形成向外傳播的噪聲[3]。燃燒噪聲是柴油機(jī)的主要噪聲源之一，人們普遍認(rèn)為它與氣體動(dòng)力載荷和壓力高頻振蕩有關(guān)。由于氣缸內(nèi)的燃燒涉及到非常復(fù)雜的物理化學(xué)機(jī)制，因此很難通過(guò)數(shù)學(xué)解析的方式對(duì)噪聲特性進(jìn)行精確描述，因而目前廣泛采用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)其進(jìn)行研究。然而計(jì)算機(jī)仿真需要首先確認(rèn)一系列難以確定的初始條件，因而造成仿真結(jié)果與實(shí)際情況有一定的偏差。

1.3 空氣動(dòng)力

柴油機(jī)的工作需要空氣的參與，因此有許多與空氣處理有關(guān)的零部件，成為了船用柴油機(jī)的重要噪聲源。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)進(jìn)氣或排氣通道有空氣高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)與管壁之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦力，空氣進(jìn)入燃燒室前，由增壓系統(tǒng)進(jìn)行壓縮，另外為了散熱而設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，這些環(huán)節(jié)都可以造成強(qiáng)烈的空氣擾動(dòng)，從而形成噪聲。

2 柴油機(jī)振動(dòng)特性研究方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，目前人們已經(jīng)普遍采用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)柴油機(jī)的振動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，以探索其基本原理，從而尋求解決方案。從文獻(xiàn)檢索的結(jié)果來(lái)看，有關(guān)柴油機(jī)振動(dòng)和噪聲的研究主要集中在對(duì)振動(dòng)機(jī)理、傳播特性、作用機(jī)制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人們對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的認(rèn)識(shí)水平。

常用的計(jì)算機(jī)仿真方法包括有限元法、模態(tài)分析法、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法和邊界元法等，這些方法各有適用的場(chǎng)合，不同的研究目的將采用不同的研究方法。因此在研究方向越來(lái)越廣的今天，這些研究方法都得到了較全面的發(fā)展。另外，在各種信號(hào)處理算法不斷優(yōu)化的背景下，各種針對(duì)振動(dòng)信號(hào)先進(jìn)的信號(hào)處理方法也不斷涌現(xiàn)。許多學(xué)者開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)移至柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取、在線故障診斷等方向的研究，并把分形技術(shù)、灰度理論、粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等技術(shù)引入到柴油機(jī)振動(dòng)噪聲分析體系中來(lái)，形成了豐富的理論研究體系[4]。

3 柴油機(jī)振動(dòng)噪聲特性分析

3.1 分析方法的確定

在柴油機(jī)振動(dòng)噪聲的輻射特性求解中，常見(jiàn)的方法有主要有有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）等。

有限元法的數(shù)學(xué)核心是變分和插值，其基本思想是把研究對(duì)象離散分解成許多小網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)分解粒度小到一定程度時(shí)，即可將其物理特性看成是線性的，然后對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行分別求解，再層層迭代，最終求出整個(gè)結(jié)構(gòu)的近似解。有限元法的仿真精度與其離散的程度有關(guān)，仿真精度與網(wǎng)格的尺寸成反比，與計(jì)算量成正比。

邊界元法在基本思想上對(duì)有限元進(jìn)行了部分傳承，但其核心思路卻是全新的。它避免了對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格劃分帶來(lái)的巨大運(yùn)算量，而是直接在研究區(qū)域的邊界進(jìn)行分割，實(shí)際上是把問(wèn)題數(shù)學(xué)模型降低了一維，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量。從參數(shù)的要求上看，邊界元法的求解方程更加簡(jiǎn)單，算法復(fù)雜度低，引入的假設(shè)條件也更少。從計(jì)算精度來(lái)考慮，在同等離散精度的前提下，邊界元法比有限元法具有更高的求解精度[5]。盡管邊界元無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行求解，但本文主要研究船用柴油機(jī)的噪聲輻射及控制問(wèn)題，只需對(duì)柴油機(jī)外部的邊界噪聲輻射特性進(jìn)行分析，因此選擇邊界元法更加合適。

3.2 輻射噪聲特性仿真

為了對(duì)柴油機(jī)整機(jī)的噪聲輻射特性進(jìn)行研究，本文在模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)構(gòu)建了低速二沖程柴油機(jī)的邊界元模型，并且在其周邊1 m的空間范圍內(nèi)建立場(chǎng)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 構(gòu)建低速二沖程柴油機(jī)的邊界元模型

通過(guò)商用仿真軟件Virtual lab對(duì)柴油機(jī)的輻射噪聲進(jìn)行求解，以圖1（b）聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格和場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格等信息作為輸入，按實(shí)際柴油機(jī)選取相應(yīng)的材料屬性，然后對(duì)模型進(jìn)行求解。為了使求解結(jié)果盡量精確，本文進(jìn)行了五個(gè)周期的聲學(xué)仿真，并取結(jié)果的均值進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照業(yè)內(nèi)規(guī)范，在場(chǎng)點(diǎn)上隨機(jī)選取19個(gè)計(jì)算參考點(diǎn)，通過(guò)平均聲壓級(jí)來(lái)反映噪聲水平的高低，該方法在業(yè)內(nèi)又稱為19點(diǎn)法。

聲壓級(jí)可以表示為：

式（1）中：e為實(shí)測(cè)聲壓值；ref=2×10-5Pa，為參考聲壓值。

噪聲由柴油機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生并向環(huán)境中輻射之后，其噪聲可以通過(guò)表面各計(jì)算參考點(diǎn)平均聲壓級(jí)來(lái)描述，具體公式如下：

式（2）中：pi為第個(gè)計(jì)算參考點(diǎn)的聲壓級(jí)，dB；為計(jì)算參考點(diǎn)數(shù)量。

各參考點(diǎn)的的平均輻射聲壓級(jí)仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各輻射面噪聲分析

序號(hào)輻射面所含測(cè)點(diǎn)輻射聲壓級(jí)/dB 1頂面測(cè)點(diǎn)1-3111.3 2觀察窗面測(cè)點(diǎn)14-19113.9 3空冷器面測(cè)點(diǎn)6-11113.3 4輸出端面測(cè)點(diǎn)4-5108.5 5飛機(jī)殼面測(cè)點(diǎn)12-13106.2

對(duì)所有輻射面的聲壓級(jí)進(jìn)行能量疊加，得到整機(jī)平均聲壓級(jí)如表2所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

從仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)在不同方向上的噪聲輻射強(qiáng)度是不同的，其中觀察窗和增壓器所在的方向噪聲輻射強(qiáng)度最高，達(dá)到113.9 dB和113.3 dB，輸出端面和飛輪殼面噪聲水平較低，整機(jī)平均聲壓級(jí)為112.5 dB。根據(jù)船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲主要是經(jīng)過(guò)缸套、水套等位置輻射出來(lái)的，因?yàn)檫@些位置的結(jié)構(gòu)厚度相對(duì)較小，對(duì)噪聲的吸收和阻擋能力較弱。因此，通過(guò)對(duì)船用柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外殼薄壁的設(shè)計(jì)，可以大大減小振動(dòng)噪聲水平。

表2 整機(jī)平均聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果

測(cè)點(diǎn)編號(hào)1234567 合力作用/dB110.3113.6108.2105.7106.6108.4108.6 測(cè)點(diǎn)編號(hào)891011121314 合力作用/dB110.1114.1112.8113.2114.4114.1112.2 側(cè)點(diǎn)編號(hào)1516171819總聲壓級(jí) 合力作用/dB115.6115.3110.8113.8113.9112.5

4 振動(dòng)噪聲的控制與優(yōu)化探討

對(duì)于低速船用柴油機(jī)而言，其噪聲控制涉及多學(xué)科領(lǐng)域的綜合運(yùn)用，在降低噪聲同時(shí)，也需要保證功率密度和油耗量保持在合理的范圍，從而確保機(jī)器整體性能。根據(jù)本文的仿真結(jié)果，噪聲的輻射主要是通過(guò)排氣管架、觀察窗等薄弱部位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)這些局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是控制船用柴油機(jī)振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵。

為了避免零件加工誤差和機(jī)械裝配不良帶來(lái)的機(jī)器噪聲，可以進(jìn)一步控制零件精度，并采用自動(dòng)化裝配流水線，減少人為造成的裝配不良。應(yīng)減少小十字頭滑塊與軌道之間的間隙，使其嚴(yán)格在軌道上運(yùn)動(dòng)，防止發(fā)生橫向的漂移而產(chǎn)生碰撞或摩擦噪聲。為了防止噪聲通過(guò)管架等結(jié)構(gòu)向外傳播，應(yīng)加強(qiáng)管架端面的強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)剛度，例如可以在相應(yīng)部位設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，使其對(duì)振動(dòng)的敏感性大大降低。輸出端面和觀察窗附近的結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路也與此類似。

底板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)也可以在一定程度上減輕振動(dòng)噪聲的影響。一般來(lái)說(shuō)，底板位于基座之下，由于功能性不強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)出于成本考慮往往結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，厚度也較薄，但包含了大量的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，使局部模態(tài)變得更加復(fù)雜。因此也可以通過(guò)增加加強(qiáng)筋或增加厚度的方法來(lái)改善底板的防噪聲性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)噪聲水平是表示船用柴油機(jī)性能的重要指標(biāo)，本文通過(guò)邊界元分析法進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明，柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲主要是通過(guò)厚度較薄、強(qiáng)度較弱的結(jié)構(gòu)向外輻射的，對(duì)這些地方的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以大大減少噪聲。在各種高性能仿真軟件和先進(jìn)信號(hào)處理算法的支持下，船用柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲研究也將進(jìn)入一個(gè)新的階段。

［1］劉文帥.國(guó)內(nèi)外艦船噪聲測(cè)試分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述［C］.船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)，2015.

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2095－6835（2018）23－0019－02

U664.121.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.019

于繼清（1985—），男，碩士，主要從事新造船舶相關(guān)設(shè)計(jì)及制造工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕