基于邊界元的船用柴油機振動噪聲特性分析

于繼清

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基于邊界元的船用柴油機振動噪聲特性分析

于繼清

（渤海輪渡集團股份有限公司，山東 青島 264000）

柴油機是船舶的重要動力設備，振動噪聲作為柴油機的重要性能參數之一，一直成為相關領域的研究重點。如果柴油機的振動噪聲水平過高，不但會影響船舶的綜合性能，更會影響乘員的舒適性，因此研究船用柴油機的振動噪聲特性并對其進行控制具有重要的現實意義。但柴油機的振動與很多因素有關，其噪聲特性相對復雜，采用邊界元分析方法對船用低速柴油機振動噪聲特性進行了研究，為相關領域提供了理論和實踐參考。

船舶動力；低速柴油機；振動噪聲；結構優化

近年來，我國船舶工業發展迅速，大功率船用柴油機在產能和效益上均有了較大的突破，然而我國在船用柴油機的生產上一直以來以技術引進為主，核心技術被德國、芬蘭、日本等工業強國壟斷，自主知識產權嚴重缺乏，因此提升我國船舶工業核心競爭力勢在必行。船用柴油機是船舶的動力設備，也是振動噪聲的主要來源，隨著船用柴油機功率的不斷升級，其激勵源的強度也隨之增加。自2014年起，國際海事組織規定了更加嚴格的船舶噪聲等級標準，使我國船用柴油機的振動和噪聲控制問題更加突出[1]。本文通過邊界元分析法對船用二沖程低速柴油機的振動特性進行了研究，并提出了相應的控制策略，具有較大的理論和實踐價值。

1 船用柴油機振動噪聲產生機理

1.1 機械振動

聲學研究表明，噪聲的本質是振動。機械振動是形成柴油機噪聲的根源，作為一個復雜的機械系統，柴油機內部包含了大量的機械零部件，它們通過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有偏差，特別是運動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，運動機構的換向和齒輪的嚙合也會引起空氣的激振，形成噪聲[2]。

1.2 燃燒噪聲

人們很早就認識到，柴油機的振動與燃燒是息息相關的，可燃氣體在燃燒過程中產生的交變載荷作用在內部零件和外部殼體上，從而形成向外傳播的噪聲[3]。燃燒噪聲是柴油機的主要噪聲源之一，人們普遍認為它與氣體動力載荷和壓力高頻振蕩有關。由于氣缸內的燃燒涉及到非常復雜的物理化學機制，因此很難通過數學解析的方式對噪聲特性進行精確描述，因而目前廣泛采用計算機仿真的方法對其進行研究。然而計算機仿真需要首先確認一系列難以確定的初始條件，因而造成仿真結果與實際情況有一定的偏差。

1.3 空氣動力

柴油機的工作需要空氣的參與，因此有許多與空氣處理有關的零部件，成為了船用柴油機的重要噪聲源。根據空氣動力學原理，當進氣或排氣通道有空氣高速流動時，會與管壁之間產生強烈的摩擦力，空氣進入燃燒室前，由增壓系統進行壓縮，另外為了散熱而設計的風扇，這些環節都可以造成強烈的空氣擾動，從而形成噪聲。

2 柴油機振動特性研究方法

隨著計算機技術和數學理論的發展，目前人們已經普遍采用計算機仿真軟件對柴油機的振動過程進行模擬，以探索其基本原理，從而尋求解決方案。從文獻檢索的結果來看，有關柴油機振動和噪聲的研究主要集中在對振動機理、傳播特性、作用機制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人們對柴油機振動的認識水平。

常用的計算機仿真方法包括有限元法、模態分析法、瞬態動力學分析法和邊界元法等，這些方法各有適用的場合，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越廣的今天，這些研究方法都得到了較全面的發展。另外，在各種信號處理算法不斷優化的背景下，各種針對振動信號先進的信號處理方法也不斷涌現。許多學者開始將目光轉移至柴油機振動信號特征提取、在線故障診斷等方向的研究，并把分形技術、灰度理論、粗糙集、神經網絡、模式識別等技術引入到柴油機振動噪聲分析體系中來，形成了豐富的理論研究體系[4]。

3 柴油機振動噪聲特性分析

3.1 分析方法的確定

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

有限元法的數學核心是變分和插值，其基本思想是把研究對象離散分解成許多小網絡，當分解粒度小到一定程度時，即可將其物理特性看成是線性的，然后對每個網格進行分別求解，再層層迭代，最終求出整個結構的近似解。有限元法的仿真精度與其離散的程度有關，仿真精度與網格的尺寸成反比，與計算量成正比。

邊界元法在基本思想上對有限元進行了部分傳承，但其核心思路卻是全新的。它避免了對整個結構內部進行網格劃分帶來的巨大運算量，而是直接在研究區域的邊界進行分割，實際上是把問題數學模型降低了一維，大大減少了網格數量。從參數的要求上看，邊界元法的求解方程更加簡單，算法復雜度低，引入的假設條件也更少。從計算精度來考慮，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]。盡管邊界元無法對結構內部的振動模態進行求解，但本文主要研究船用柴油機的噪聲輻射及控制問題，只需對柴油機外部的邊界噪聲輻射特性進行分析，因此選擇邊界元法更加合適。

3.2 輻射噪聲特性仿真

為了對柴油機整機的噪聲輻射特性進行研究，本文在模態分析和瞬態響應的基礎構建了低速二沖程柴油機的邊界元模型，并且在其周邊1 m的空間范圍內建立場點，如圖1所示。

圖1 構建低速二沖程柴油機的邊界元模型

通過商用仿真軟件Virtual lab對柴油機的輻射噪聲進行求解，以圖1（b）聲學包絡網格和場點網格等信息作為輸入，按實際柴油機選取相應的材料屬性，然后對模型進行求解。為了使求解結果盡量精確，本文進行了五個周期的聲學仿真，并取結果的均值進行評價。按照業內規范，在場點上隨機選取19個計算參考點，通過平均聲壓級來反映噪聲水平的高低，該方法在業內又稱為19點法。

聲壓級可以表示為：

式（1）中：e為實測聲壓值；ref=2×10-5Pa，為參考聲壓值。

噪聲由柴油機內部產生并向環境中輻射之后，其噪聲可以通過表面各計算參考點平均聲壓級來描述，具體公式如下：

式（2）中：pi為第個計算參考點的聲壓級，dB；為計算參考點數量。

各參考點的的平均輻射聲壓級仿真結果如表1所示。

表1 各輻射面噪聲分析

序號輻射面所含測點輻射聲壓級/dB 1頂面測點1-3111.3 2觀察窗面測點14-19113.9 3空冷器面測點6-11113.3 4輸出端面測點4-5108.5 5飛機殼面測點12-13106.2

對所有輻射面的聲壓級進行能量疊加，得到整機平均聲壓級如表2所示。

3.3 數據分析及結論

從仿真結果不難發現，柴油機在不同方向上的噪聲輻射強度是不同的，其中觀察窗和增壓器所在的方向噪聲輻射強度最高，達到113.9 dB和113.3 dB，輸出端面和飛輪殼面噪聲水平較低，整機平均聲壓級為112.5 dB。根據船用柴油機的結構不難發現，柴油機的振動噪聲主要是經過缸套、水套等位置輻射出來的，因為這些位置的結構厚度相對較小，對噪聲的吸收和阻擋能力較弱。因此，通過對船用柴油機的內部結構及外殼薄壁的設計，可以大大減小振動噪聲水平。

表2 整機平均聲壓級計算結果

測點編號1234567 合力作用/dB110.3113.6108.2105.7106.6108.4108.6 測點編號891011121314 合力作用/dB110.1114.1112.8113.2114.4114.1112.2 側點編號1516171819總聲壓級 合力作用/dB115.6115.3110.8113.8113.9112.5

4 振動噪聲的控制與優化探討

對于低速船用柴油機而言，其噪聲控制涉及多學科領域的綜合運用，在降低噪聲同時，也需要保證功率密度和油耗量保持在合理的范圍，從而確保機器整體性能。根據本文的仿真結果，噪聲的輻射主要是通過排氣管架、觀察窗等薄弱部位來實現的，因此對這些局部結構進行優化設計是控制船用柴油機振動噪聲的關鍵。

為了避免零件加工誤差和機械裝配不良帶來的機器噪聲，可以進一步控制零件精度，并采用自動化裝配流水線，減少人為造成的裝配不良。應減少小十字頭滑塊與軌道之間的間隙，使其嚴格在軌道上運動，防止發生橫向的漂移而產生碰撞或摩擦噪聲。為了防止噪聲通過管架等結構向外傳播，應加強管架端面的強度，提高結構剛度，例如可以在相應部位設計加強筋，使其對振動的敏感性大大降低。輸出端面和觀察窗附近的結構改進思路也與此類似。

底板結構的加強也可以在一定程度上減輕振動噪聲的影響。一般來說，底板位于基座之下，由于功能性不強，因此在設計時出于成本考慮往往結構比較簡單，厚度也較薄，但包含了大量的細節結構，使局部模態變得更加復雜。因此也可以通過增加加強筋或增加厚度的方法來改善底板的防噪聲性能。

5 結束語

振動噪聲水平是表示船用柴油機性能的重要指標，本文通過邊界元分析法進行了詳細研究，結果表明，柴油機的振動噪聲主要是通過厚度較薄、強度較弱的結構向外輻射的，對這些地方的結構進行優化，可以大大減少噪聲。在各種高性能仿真軟件和先進信號處理算法的支持下，船用柴油機的振動噪聲研究也將進入一個新的階段。

［1］劉文帥.國內外艦船噪聲測試分析技術發展現狀綜述［C］.船舶水下噪聲學術討論會，2015.

［2］胡琦山.JX493柴油機振動分析及其機體結構優化［D］.南昌：南昌大學，2015.

［3］景國輝，沈建平.船用柴油機振動噪聲控制技術研究現狀及發展趨勢［J］.柴油機，2015，37（4）：1-5.

［4］李均勇，詹淑文.柴油機管道振動處理［J］.內燃機，2014（1）：19-20.

［5］高效偉，彭海峰，楊愷.高等邊界單元法［M］.北京：科學出版社，2015.

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設計及制造工作。

〔編輯：嚴麗琴〕