Delist.ru

Разработка методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума двигателя внутреннего сгорания (16.09.2009)

Автор: Яковенко Андрей Леонидович

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений системного анализа, технической акустики, термодинамики. Реализация разработанных методик осуществлялась с использованием стандартных пакетов численного моделирования и инвариантных информационных средств, базирующихся на CALS-технологиях. Экспериментальные исследования осуществлялись на дизеле 8ЧН 12/13 с использованием типовых методик, принятых при анализе шума технических средств по ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 3746-95). Сбор и последующая обработка звукового давления выполнялись с помощью микрофонов фирмы PCB Piezotronics и измерительно-вычислительного комплекса Pimento производства LMS.

Научная новизна

1. Разработана методика прогнозирования акустического излучения ДВС, объединяющая модели конструкции, рабочего цикла и источников структурного шума. Методика реализована в виде комплекса подсистем САПР «ДВС» с использованием современных информационных технологий.

2. Разработанный комплекс подсистем позволяет формировать отдельные сегменты ЕИП «ДВС» при моделировании конструкции кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного (МГР) механизмов ДВС, его рабочего процесса, образования структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней.

3. С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния ряда компоновочных схем поршневых ДВС, изменения их конструктивных параметров и режима работы на излучаемый ими структурный шум.

4. Проведена экспериментальная оценка структурного шума двигателя 8ЧН 12/13. Анализ результатов расчетного и физического экспериментов подтвердил эффективность принятой методики моделирования и разработанного комплекса для прогнозирования структурного шума двигателя.

Практическая ценность. Разработанные подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР», а также подсистемы «Рабочий цикл» и «Структурный шум» позволяют на стадии проектирования ДВС осуществлять анализ влияния параметров конструкции и режима работы на структурный шум двигателя, а также на его мощностные и экономические показатели.

Подсистемы геометрического трехмерного моделирования «КШМ» и «МГР» позволяют на основе разработанных параметрических моделей формировать обобщенную модель двигателя, а также оперативно получать при заданном уровне детализации двух- и трехмерные модели отдельных деталей ДВС, а также его сборки. Данные модели позволяют определять массово-геометрические и инерционные параметры элементов двигателя, необходимые для расчета его динамики и структурного шума, а также формировать конечно-элементные модели конструкции ДВС для оценки прочностных и динамических свойств.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить структурный шум перспективного дизеля 8ЧН 12/13 с наддувом экологического класса Евро-3.

Реализация работы. Разработанные в ходе выполнения диссертации подсистемы используются в научно-исследовательских и учебных целях на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ).

Подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР» применяются для визуализации конструктивных решений отдельных деталей, узлов и механизмов двигателя, их функционирования в процессе проектирования ДВС, а также для обеспечения учебного процесса как в составе интегрированного обучающего комплекса «ДВС», разрабатываемого на кафедре, так и в виде других дидактических средств.

Основные положения, выносимые на защиту:

интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС от рабочего процесса и перекладок поршней при изменении компоновки, параметров его конструкции, рабочего процесса и режима работы;

разработанные компоненты, формирующие сегменты ЕИП «ДВС», реализованные в виде подсистем геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», а также подсистем «Структурный шум» и «Рабочий цикл», обеспечивающие оценку структурного шума проектируемого двигателя;

результаты расчетного исследования влияния компоновочных схем, параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы ДВС на уровень структурного шума от реализации рабочего цикла и перекладок поршней;

результаты расчетного и натурного экспериментов по определению уровня акустической мощности дизеля 8ЧН 12/13 по внешней скоростной характеристике.

Личный вклад автора:

интегрированная методика моделирования спектров и общего уровня акустической мощности основных источников структурного шума ДВС;

подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», разработанные с использованием инвариантных средств трехмерного моделирования и формирующие сегменты ЕИП «ДВС»;

разработанный на основе современных информационных технологий комплекс, использующий при своей работе подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР» и подсистемы «Рабочий цикл», «Структурный шум», обеспечивающий прогнозирование структурного шума ДВС при его проектировании;

расчетные исследования влияния компоновки, ряда параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы двигателя на уровень его структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней, выполненные с помощью разработанного комплекса;

экспериментальные исследования акустического излучения двигателя 8ЧН12/13, подтвердившие эффективность реализованной методики прогнозирования структурного шума двигателя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (ГТУ) (2007, 2009 гг.), ИМАШ РАН (2007 г.), МГТУ им. Н.Э. Баумана (2007 г.), г. Тольятти (2007 г.), МГИУ (2007 г.), ИПУ РАН (2008 г.), ЮУрГУ (2008 г.) и экспонировались на выставках научных достижений МАДИ (ГТУ) (2006 г.) и «Образовательная среда-2008» на ВВЦ.

Публикации. Материалы исследований представлены в 13 печатных работах, опубликованных в научных журналах, сборниках и материалах конференций (из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 144 страницы, включая 97 рисунков, 6 фотографий и 11 таблиц. Библиография содержит 114 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор состояния исследований в области структурного шума ДВС. В результате обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи работы.

В свое время в области шума автомобиля и его ДВС был проведен значительный объем расчетно-экспериментальных исследований, результаты которых нашли отражение в большом количестве научных работ. Значительный вклад в разработку способов исследования и методов снижения шума и вибраций поршневых двигателей внесли В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, В.Е. Тольский, М.А. Разумовский, В.И. Зинченко, М.Г. Шатров, Н.И. Назаров, T. Priede, N. Lalor, G. Thien, M. Heсkl и др.

Выполненный анализ акустического излучения современного ДВС показал, что его уровень в основном определяет структурный шум, наиболее значимыми источниками которого являются рабочий процесс и соударения в подвижных сочленениях: перекладки поршней, механизм газораспределения и др.

Рассмотренные вопросы формирования акустического баланса двигателя, позволили определить способы оценки акустической мощности основных источников структурного шума двигателя. Представлена физическая модель образования его структурного шума, которую целесообразно реализовать с учетом современных возможностей, используя спектральные методы. Обзор методов исследования структурного шума ДВС позволил оценить их преимущества и недостатки. С учетом этого для решения задач диссертации решено применить 3D-модели конструкции, модель рабочего процесса, использующую законы тепловыделения характерные для дизеля, модель для описания структурного шума корпусных деталей ДВС в виде эквивалентной цилиндрической оболочки.

Концепция CALS-технологий предполагает формирование интегрированной информационной модели ДВС, которая составляет основу единого информационного пространства «ДВС». Информационная модель двигателя представляет собой массив данных, которые формируют соответствующие подсистемы САПР «ДВС».

Для описания конструкции ДВС применяются обобщенные параметрические модели, которые позволяют оперативно формировать геометрические образы деталей конкретного ДВС, используя только наиболее значимые конструктивные параметры и установленные функциональные связи между ними.

Обобщенные параметрические модели позволяют формализовать описание конструкции ДВС. Относительно высокие исходные затраты при разработке таких моделей компенсируются в последующем при формировании модели конкретного двигателя и оперативном внесении изменений при ее доработке. Такой подход обеспечивает также преемственность двух- и трехмерных моделей. На рис. 1 представлена последовательность формирования модели от параметрического эскиза двухмерной модели конструкции (а) до трехмерной модели (б, в).

Анализ уровней использования информационной модели, методов моделирования конструкции и расчета структурного шума двигателя, необходимых на разных стадиях его жизненного цикла, позволил выделить следующие характерные особенности их применения на разных этапах проектирования ДВС:

на этапе внешнего проектирования ДВС (при формировании его концепции) для описания конструкции двигателя применяются двухмерные параметрические модели. Их использование приемлемо в процессе вычислительного эксперимента при анализе большого числа вариантов за ограниченный временной интервал. Однако их применение ограничено точностью получаемой информации. На данном этапе для оценки структурного шума двигателя применяются аналитические и эмпирические зависимости. Например, уровень структурного шума по внешней скоростной характеристике (ВСХ) может быть определен по формуле

Рис. 1. Формирование обобщенной параметрической модели поршня:

– величина изменения уровня шума при изменении среднего эффективного давления ре;

при внутреннем проектировании (конструктивной проработке ДВС) применение аналитических и эмпирических формул неприемлемо ввиду малой точности получаемых результатов, что обусловлено минимальным количеством параметров двигателя, используемых при расчетах. В этом случае при моделировании конструкции ДВС следует применять трехмерные модели, обеспечивающие конечно- и гранично-элементный анализ.

Выделены следующие основные направления снижения структурного шума двигателя, которые необходимо обеспечить соответствующими инструментальными средствами:

изменение конструкции двигателя (повышение жесткости корпусных деталей, а также снижение среднего по поверхности уровня колебательной скорости шумоизлучающих поверхностей нагруженных и ненагруженных деталей двигателя путем создания выпукло-вогнутых форм стенок, использование единого блока коренных опор и др.);

загрузка...