基于边界元的船用柴油机振动噪声特性分析

2018-12-18于继清

科技与创新 2018年23期

于继清

基于边界元的船用柴油机振动噪声特性分析

于继清

（渤海轮渡集团股份有限公司，山东青岛 264000）

柴油机是船舶的重要动力设备，振动噪声作为柴油机的重要性能参数之一，一直成为相关领域的研究重点。如果柴油机的振动噪声水平过高，不但会影响船舶的综合性能，更会影响乘员的舒适性，因此研究船用柴油机的振动噪声特性并对其进行控制具有重要的现实意义。但柴油机的振动与很多因素有关，其噪声特性相对复杂，采用边界元分析方法对船用低速柴油机振动噪声特性进行了研究，为相关领域提供了理论和实践参考。

船舶动力；低速柴油机；振动噪声；结构优化

近年来，我国船舶工业发展迅速，大功率船用柴油机在产能和效益上均有了较大的突破，然而我国在船用柴油机的生产上一直以来以技术引进为主，核心技术被德国、芬兰、日本等工业强国垄断，自主知识产权严重缺乏，因此提升我国船舶工业核心竞争力势在必行。船用柴油机是船舶的动力设备，也是振动噪声的主要来源，随着船用柴油机功率的不断升级，其激励源的强度也随之增加。自2014年起，国际海事组织规定了更加严格的船舶噪声等级标准，使我国船用柴油机的振动和噪声控制问题更加突出[1]。本文通过边界元分析法对船用二冲程低速柴油机的振动特性进行了研究，并提出了相应的控制策略，具有较大的理论和实践价值。

1 船用柴油机振动噪声产生机理

1.1 机械振动

声学研究表明，噪声的本质是振动。机械振动是形成柴油机噪声的根源，作为一个复杂的机械系统，柴油机内部包含了大量的机械零部件，它们通过各种组合方式装配在一起。但由于制造水平的原因，零件之间的配合总会有偏差，特别是运动部件与固定部件之间的配合间隙，成为主要的直接噪声源。另外，运动机构的换向和齿轮的啮合也会引起空气的激振，形成噪声[2]。

1.2 燃烧噪声

人们很早就认识到，柴油机的振动与燃烧是息息相关的，可燃气体在燃烧过程中产生的交变载荷作用在内部零件和外部壳体上，从而形成向外传播的噪声[3]。燃烧噪声是柴油机的主要噪声源之一，人们普遍认为它与气体动力载荷和压力高频振荡有关。由于气缸内的燃烧涉及到非常复杂的物理化学机制，因此很难通过数学解析的方式对噪声特性进行精确描述，因而目前广泛采用计算机仿真的方法对其进行研究。然而计算机仿真需要首先确认一系列难以确定的初始条件，因而造成仿真结果与实际情况有一定的偏差。

1.3 空气动力

柴油机的工作需要空气的参与，因此有许多与空气处理有关的零部件，成为了船用柴油机的重要噪声源。根据空气动力学原理，当进气或排气通道有空气高速流动时，会与管壁之间产生强烈的摩擦力，空气进入燃烧室前，由增压系统进行压缩，另外为了散热而设计的风扇，这些环节都可以造成强烈的空气扰动，从而形成噪声。

2 柴油机振动特性研究方法

随着计算机技术和数学理论的发展，目前人们已经普遍采用计算机仿真软件对柴油机的振动过程进行模拟，以探索其基本原理，从而寻求解决方案。从文献检索的结果来看，有关柴油机振动和噪声的研究主要集中在对振动机理、传播特性、作用机制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人们对柴油机振动的认识水平。

常用的计算机仿真方法包括有限元法、模态分析法、瞬态动力学分析法和边界元法等，这些方法各有适用的场合，不同的研究目的将采用不同的研究方法。因此在研究方向越来越广的今天，这些研究方法都得到了较全面的发展。另外，在各种信号处理算法不断优化的背景下，各种针对振动信号先进的信号处理方法也不断涌现。许多学者开始将目光转移至柴油机振动信号特征提取、在线故障诊断等方向的研究，并把分形技术、灰度理论、粗糙集、神经网络、模式识别等技术引入到柴油机振动噪声分析体系中来，形成了丰富的理论研究体系[4]。

3 柴油机振动噪声特性分析

3.1 分析方法的确定

在柴油机振动噪声的辐射特性求解中，常见的方法有主要有有限元法（FEM）和边界元法（BEM）等。

有限元法的数学核心是变分和插值，其基本思想是把研究对象离散分解成许多小网络，当分解粒度小到一定程度时，即可将其物理特性看成是线性的，然后对每个网格进行分别求解，再层层迭代，最终求出整个结构的近似解。有限元法的仿真精度与其离散的程度有关，仿真精度与网格的尺寸成反比，与计算量成正比。

边界元法在基本思想上对有限元进行了部分传承，但其核心思路却是全新的。它避免了对整个结构内部进行网格划分带来的巨大运算量，而是直接在研究区域的边界进行分割，实际上是把问题数学模型降低了一维，大大减少了网格数量。从参数的要求上看，边界元法的求解方程更加简单，算法复杂度低，引入的假设条件也更少。从计算精度来考虑，在同等离散精度的前提下，边界元法比有限元法具有更高的求解精度[5]。尽管边界元无法对结构内部的振动模态进行求解，但本文主要研究船用柴油机的噪声辐射及控制问题，只需对柴油机外部的边界噪声辐射特性进行分析，因此选择边界元法更加合适。

3.2 辐射噪声特性仿真

为了对柴油机整机的噪声辐射特性进行研究，本文在模态分析和瞬态响应的基础构建了低速二冲程柴油机的边界元模型，并且在其周边1 m的空间范围内建立场点，如图1所示。

图1 构建低速二冲程柴油机的边界元模型

通过商用仿真软件Virtual lab对柴油机的辐射噪声进行求解，以图1（b）声学包络网格和场点网格等信息作为输入，按实际柴油机选取相应的材料属性，然后对模型进行求解。为了使求解结果尽量精确，本文进行了五个周期的声学仿真，并取结果的均值进行评价。按照业内规范，在场点上随机选取19个计算参考点，通过平均声压级来反映噪声水平的高低，该方法在业内又称为19点法。

声压级可以表示为：

式（1）中：e为实测声压值；ref=2×10-5Pa，为参考声压值。

噪声由柴油机内部产生并向环境中辐射之后，其噪声可以通过表面各计算参考点平均声压级来描述，具体公式如下：

式（2）中：pi为第个计算参考点的声压级，dB；为计算参考点数量。

各参考点的的平均辐射声压级仿真结果如表1所示。

表1 各辐射面噪声分析

序号辐射面所含测点辐射声压级/dB 1顶面测点1-3111.3 2观察窗面测点14-19113.9 3空冷器面测点6-11113.3 4输出端面测点4-5108.5 5飞机壳面测点12-13106.2

对所有辐射面的声压级进行能量叠加，得到整机平均声压级如表2所示。

3.3 数据分析及结论

从仿真结果不难发现，柴油机在不同方向上的噪声辐射强度是不同的，其中观察窗和增压器所在的方向噪声辐射强度最高，达到113.9 dB和113.3 dB，输出端面和飞轮壳面噪声水平较低，整机平均声压级为112.5 dB。根据船用柴油机的结构不难发现，柴油机的振动噪声主要是经过缸套、水套等位置辐射出来的，因为这些位置的结构厚度相对较小，对噪声的吸收和阻挡能力较弱。因此，通过对船用柴油机的内部结构及外壳薄壁的设计，可以大大减小振动噪声水平。

表2 整机平均声压级计算结果

测点编号1234567 合力作用/dB110.3113.6108.2105.7106.6108.4108.6 测点编号891011121314 合力作用/dB110.1114.1112.8113.2114.4114.1112.2 侧点编号1516171819总声压级合力作用/dB115.6115.3110.8113.8113.9112.5

4 振动噪声的控制与优化探讨

对于低速船用柴油机而言，其噪声控制涉及多学科领域的综合运用，在降低噪声同时，也需要保证功率密度和油耗量保持在合理的范围，从而确保机器整体性能。根据本文的仿真结果，噪声的辐射主要是通过排气管架、观察窗等薄弱部位来实现的，因此对这些局部结构进行优化设计是控制船用柴油机振动噪声的关键。

为了避免零件加工误差和机械装配不良带来的机器噪声，可以进一步控制零件精度，并采用自动化装配流水线，减少人为造成的装配不良。应减少小十字头滑块与轨道之间的间隙，使其严格在轨道上运动，防止发生横向的漂移而产生碰撞或摩擦噪声。为了防止噪声通过管架等结构向外传播，应加强管架端面的强度，提高结构刚度，例如可以在相应部位设计加强筋，使其对振动的敏感性大大降低。输出端面和观察窗附近的结构改进思路也与此类似。

底板结构的加强也可以在一定程度上减轻振动噪声的影响。一般来说，底板位于基座之下，由于功能性不强，因此在设计时出于成本考虑往往结构比较简单，厚度也较薄，但包含了大量的细节结构，使局部模态变得更加复杂。因此也可以通过增加加强筋或增加厚度的方法来改善底板的防噪声性能。