автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методов управления виброакустическими качествами блок-картеров V-образных ДВС с использованием САПР

РГ6 од

' - НОЯ Ш5

На правах рукописи

ОМАР ШАУКАТ АБДЕЛЬРАХМАН

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМИ КАЧЕСТВАМИ БЛОК-КАРТЕРОВ У-ОБРАЗНЫХ ДВС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР

( 05.04.02 - Тепловые двигатели )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре автотракторных двигателей Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета).

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор М.Г.Шатров

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Р.П.Доброгаев

- кандидат технических наук, доцент В.Н.Гудцов

Ведущая организация - производственное объединение АМО-ЗИЛ

Защита состоится ноября 1995 г. в 10 часов на заседаник

диссертационного совета К 053.30.09. ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан октября 1995 г.

Телефон для справок 155-03-28

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор В.М.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших экологических проблем современного общества является все возрастающий транспортный шум, доля которого в общем звуковом фоне современного города по данным НИИСтройфизики приближается к 80 процентам. Это обусловлено увеличением количества автомобилей и автобусов в общей структуре городского транспорта, а также повышением уровня форсированности их энергоустановок, основным типом которых в настоящее время является и останется в обозримом будущем поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

В больших городах Египта, особенно в Каире, шум автомобильного транспорта становится значительной проблемой, над которой начинают работать ученые и специалисты страны.

При доведенных по шуму системах впуска и выпуска ДВС основным является структурный шум, возникающий в результате колебаний наружных поверхностей двигателя. Его уровни определяются величиной возбуждающих факторов, колебательными характеристиками конструкции, а также излучательной способностью его колеблющихся элементов. Изменение колебательных свойств конструкции позволяет влиять на структурный шум ДВС от всех источников возбуждения конструкции.

Возможности снижения акустического излучения двигателей, находящихся в эксплуатации, весьма ограничены. Поэтому конструктивные мероприятия, позволяющие создать "малошумный" двигатель, должны разрабатываться прежде всего на стадии проектирования в сжатые сроки с использованием САПР.

Экспериментальная доводка конструкции с целью снижения шума и вибрации ДВС достаточно дорогое мероприятие, эффективность которого, зачастую, определяется опытом и интуицией исследователя. Поэтому представляется целесообразной разработка обобщенных моделей основных шумоизлучающих деталей ДВС с использованием метода конечных элементов (МКЭ) с последующим проведением вычислительного эксперимента по определению их колебательных характеристик.

Цели работы. 1. Разработка общего подхода к методическому обеспечению моделирования корпусных деталей двигателей \/-образной компоновки для исследования их колебательных свойств с целью снижения структурного шума ДВС. 2. Разработка обобщенных моделей блок-картера и коленчатого вала с возможностью последующего объединения их в одну колебательную систему. 3. Разработка методики экспериментальной оценки

виброакустических свойств деталей ДВС по частотам и формам собственны; колебаний, а также их акустических характеристик. 4. Проведение вычислительного эксперимента по исследованию особенности формирования колебательных характеристик блок-картера, коленчатого валг и системы, состоящей из этих деталей. 5. Разработка методики экспресс' оценки акустической активности форм собственных колебаний по результата& конечно-элементного моделирования.

Методы и объект исследования. Объектом исследования являлся V-образный 8-цилиндровый дизель ЗиЛ-645 (84 11/11.5) АО АвтоЗИЛ и егс детали - блок-картер и коленчатый вал.

В работе сочетались методы расчетного и экслериментальногс исследования с превалированием методов расчетного моделирования с использованием метода конечных элементов. Расчеты выполнялись на 3B1V PC/AT 486.

Научная новизна. Создана методика разработки обобщенных моделеЁ блок-картера, коленчатого вала и системы "блок-картер - коленчатый вал' ДВС V-образной компоновки для исследования их колебательны) характеристик. Определены и систематизированы частоты и формь собственных колебаний деталей дизеля ЗИЛ-645 (блок-картера, коленчатогс вала и системы "блок-картер - коленчатый вал). Исследовано влияние числг цилиндров на колебательные характеристики элементов конструкцм двигателей V-образной компоновки. Разработаны методики, позволяющие оценивать излучение, создаваемое наружными поверхностями двигателя npt экспериментальных и расчетных работах.

Практическая ценность. Методики разработки обобщенных моделей деталей ДВС могут быть использованы при численном исследовант колебательных свойств деталей при доводке ДВС по акустическил показателям, что позволяет значительно сократить объем натурны; экспериментов и избежать грубых ошибок на этапе проектирования Результаты систематизации форм собственных колебаний (ФСК) позволяю" разрабатывать конструкцию деталей ДВС с учетом особенностей каждой и; них. Пакет программ по оценке акустической активности ФСК, полученных npi конечно-элементном моделировании, обеспечивает прогнозирование уровне! шума, создаваемого ими, и может быть включен в состав комплекса САПР виброакустики ДВС. Реализованная методика экспериментальной оценю акустической активности ФСК может быть использована при исследовани! шума ДВС.

Практическая реализация. Результаты выполненных экспериментальных и расчетных работ переданы для использования при доводке дизелей ЗИЛ-645 по виброакустическим характеристикам на Московский автозавод им.И.А.Лихачева. Методики и результаты, полученные в диссертации, используются в учебном процессе на кафедре автотракторные двигателей по дисциплинам "Конструкция и расчет ДВС", "САПР ДВС" специальности 15.01 (ДВС) и в НИР Проблемной лаборатории транспортных двигателей (ПЛТД) МАДИ (ТУ).

Апробация работы. Диссертационная работа была заслушана и одобрена на заседании кафедры автотракторных двигателей" Московского государственного автомобипьнодорожного института (технического университета). Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-исследовательских конференциях МАДИ: 50-й (1992 г.), 51-й (1993 г.) и 52-й (1994 г.).

Публикации. Основные результаты работы изложены в одной статье и в одном научно-техническом отчете.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 165 страниц основного текста, 60 рисунков, 2 таблиц и включает в себя введение, 4 главы, выводы, список использованной литературы. Библиография содержит 92 наименования, в том числе 26 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы: актуальность работы, научная новизна, практическая ценность, приводятся сведения о реализации и апробации работы. Отмечена особая значимость работ по виброакустике ДВС для Египта. Сформулированы цели исследования.

В первой главе проведен обзор опубликованных работ по исследованию шума и вибрации ДВС. Детально рассматриваются работы, выполненные в России, а также в Великобритании, Германии, США, Японии, Австрии и Италии. Особое внимание в обзоре уделено исследованиям структурного шума ДВС и методам его моделирования.

Рассматриваемая в диссертации проблема получила развитие, благодаря работам В.Н.Луканина, Н.Ф.Бочарова, И.В.Алексеева, В.Е.Тольского и других отечественных ученых.

Обосновывается тезис о том, что структурный шум ДВС является одним из основных источников акустического излучения двигателя. Приводятся общие сведения о шуме ДВС, анализируются основные виды акустического излучения двигателей. Рассматриваются основные источники структурного

шума: рабочий процесс и удары в подвижных сочленениях механизмов и систем двигателя. Приводится акустический баланс источников структурного шума ДВС по источникам и излучателям-поверхностям деталей двигателя. Анализируется механизм образования структурного шума ДВС и принципиально возможные пределы его снижения. Приводятся основные компоненты математической модели, описывающей его образование в ДВС. Обосновывается важность анализа форм собственных колебаний конструкции деталей ДВС с целью отработки методов снижения структурного шума. Систематизированы методы уменьшения данного вида акустического излучения. На основании анализа литературных источников и особенностей конструкции ДВС делается вывод о первоочередной необходимости исследования колебательных свойств блок-картера - наиболее мощного излучателя структурного шума двигателя.

Рассматриваются методы исследования шума и вибрации ДВС. Анализируются достоинства и недостатки, а также соотношение и связь расчетных и экспериментальных методов в зависимости от этапа акустической доводки двигателя. Выполнена классификация методов экспериментального исследования шума и вибрации ДВС. Проанализированы применяемые в настоящее время методы моделирования колебательных характеристик конструкции ДВС. Делается вывод о необходимости исследования виброакустических характеристик ДВС методом конечных элементов (МКЭ) и методом граничных элементов (МГЭ).

На основании проведенного анализа проблем снижения шумоизлучения ДВС, методов их решения формулируются основные цели и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается методика моделирования колебательных характеристик блок-картеров У-образных ДВС с использованием МКЭ.

Современное состояние знаний о механизме структурного шума ДВС, уровень совершенства численных методов и имеющиеся в настоящее время программно-технические средства предопределяют возможность и необходимость решения следующих задач. 1. Систематизация методов формирования расчетных моделей с целью создания обобщенных моделей основных шумоизлучающих деталей ДВС, позволяющих генерировать их типовые модели в составе САПР виброакустики ДВС. 2. Определение уровня детализации при моделировании деталей ДВС и оценка возможностей выделения из общей модели объекта частных моделей для решения отдельных задач исследования. 3. Выявление на обобщенных моделях

деталей ДВС определяющих факторов, существенно влияющих на колебательные характеристики и шумоизлучение исследуемого объекта.

С этих позиций в диссертации рассматриваются вопросы моделирования блок-картеров ДВС У-образной компоновки с использованием МКЭ.

Выполнен анализ методов конструктивного управления частотными характеристиками деталей ДВС с целью снижения его структурного шума: повышения коэффициента затухания конструкции и изменения упругомассовых характеристик отдельных зон конструкции, имеющих высокий уровень колебаний, путем перераспределения металла в ней и ввода в нее новых элементов.

Формулируются основные принципы разработки моделей для исследования колебательных характеристик деталей двигателя, и обосновывается необходимость создания обобщенных конечно-элементных моделей деталей ДВС. Проведен анализ иерархии моделей для исследования колебательных явлений в деталях ДВС с учетом рассмотрения различных аспектов их использования в зависимости от решаемых задач на различных этапах исследования.

Так как ДВС представляет собой сложную колебательную систему, то целесообразно последовательное решение конечно-элементных задач. Вначале необходимо выполнить исследование колебательных характеристик для отдельных деталей ДВС, а затем произвести их объединение и расчетный эксперимент с целью оценки влияния этих деталей ДВС на формирование колебательных характеристик всей конструкции двигателя.

Показано, что для расчетного исследования колебательных характеристик деталей 'двигателей необходимо использовать конечно-элементные модели различных уровней сложности с учетом задач, решаемых исследователем.

Обосновывается нецелесообразность исследования колебаний моделей ненагруженных деталей в составе всего ДВС, а также необходимость расчета, так называемых "парящих" моделей (без задания граничных условий закрепления). Этим достигается исключение из рассмотрения низкочастотных ФСК и, как следствие, существенно сокращается время расчета.

Ограничение расчетных экспериментов с блок-картером по верхнему пределу частотного диапазона связано, с одной стороны, тем, что наиболее интенсивный структурный шум ДВС наблюдается до 3000...4000 Гц. С другой стороны в высокочастотной части спектра структурный шум ДВС диффузен и определяется совокупностью колебаний значительного пакета ФСК.

Проверка адекватности отражения в модели колебательных свойств реальной конструкции при ее создании производится на этапе формирования модели - по массе конструкции, на этапе доводки модели - по параметрам мод колебаний: частотам и формам собственных колебаний детали.

Сформулированы требования к конечно-элементным моделям для исследовании колебательных характеристик деталей ДВС с целью их упрощения на основе ограничения изучения таких упругих колебаний конструкции, которые обеспечивают наибольший вклад в общее акустическое изучение двигателя. Такая постановка задачи позволяет формировать расчетную модель с помощью типовых элементов в виде пластин и балок, что существенно упрощает подготовительную часть работ и уменьшает размерность решаемой системы уравнений.

Рассмотрены основные методические проблемы, возникающие при конечно-элементном моделировании деталей для исследования виброакустики ДВС: степень дискретизации КЭМ, используемых типов конечных элементов, обеспечение задач синтеза конструкции ("сборки") из деталей, уменьшения передачи колебательной энергии в местах стыковки от нагруженных к ненагруженным деталям.

Сформулированы основные принципы построения КЭМ для задач виброакустики, отличные от используемых при прочностных расчетах, которыми следует руководствоваться при их создании. 1. В соответствии с постановкой задач исследования динамики необходимо учитывать существенное увеличение времени счета при использовании конечно-элементных моделей. Здесь следует четко соотносить необходимые задачи исследования с точностью и качеством получаемой информации. 2. Степень разбивки (дискретизации) конечно-элементных моделей деталей ДВС для исследования их колебательных характеристик должна быть существеннс меньше, но достаточной для получения первых 10...15 мод собственных колебаний блок-картера. 3. Необходимо создавать частные модели, использу? для их разработки информацию, полученную при численном эксперименте для всего блок-картера.

В главе 2 также рассматриваются основные конечно-элементные зависимости, используемые при расчетном моделировании колебательны» характеристик блок-картеров У-образных ДВС.

Обоснована необходимость, и описаны особенности разработо обобщенных конечно-элементных моделей (КЭМ) для расчетны) экспериментов по оценке колебательных характеристик У-образных ДВС Основная идея обобщенных конечно-элементных моделей заключается в том

что, в силу регулярности принципиальной схемы конструкции, вначале разрабатывается обобщенная конечно-элементная модель секции гипотетического двигателя \/-образной компоновки, а затем она синтезируется в требуемую конкретную конструкцию в зависимости от числа цилиндров. Необходимая детализация особенностей конкретного блок-картера ДВС выполняется в пределах секции, а затем - для всей конструкции.

При конечно-элементном моделировании блок-картера У-образного ДВС вначале была сформирована модель одной секции, включающая его часть в пределах двух смежных коренных опор. Ее основные структурные компоненты: две перегородки коренных опор, наружные боковые стенки и стенки развала.

Для каждого компонента модели блок-картера отрабатывалась методика описания и типовая структура, обеспечивающая формирование конечно-элементной сетки, учитывающей его характерные особенности. Степень дискретизации элементов блок-картера выбиралась с учетом принципиально достоверного описания упругомассовых свойств конструкции для исследования ее колебательных свойств и приемлемого времени расчета модели.

При отработке методики были проанализированы особенности и возможности применения конечных элементов (КЭ) различного типа. С учетом специфики поставленной задачи (исследовании виброакустики ДВС) и жестких ограничений по времени счета для описания конструкции были использованы пластинчатые 3- и 4-узловые конечные элементы, а для задания ребер жесткости конструкции - балочные КЭ. Структура моделируемой области разбивалась на конечные элементы таким образом, чтобы, где это необходимо, стержневые элементы располагались на стыке двух пластинчатых КЭ.

Разработка конечно-элементной модели коленчатого вала и расчетный эксперимент по определению его колебательных характеристик продиктованы, с одной стороны, необходимостью их систематизации, а, с другой стороны, -для оценки его вклада в колебательные характеристики системы "блок-картер - коленчатый вал".

Основными типовыми компонентами КЭМ коленчатого вала являлись: коренные и шатунные шейки, щеки и противовесы. Степень дискретизации модели коленчатого вала определялась с учетом обстоятельств, описанных ранее. При разработке подмоделей коренных и шатунных шеек (в первую очередь для коренных шеек) ставилось условие обеспечения в дальнейшем

конечно-элементной связи с сопряженными деталями, необходимой для включения коленчатого вала в систему ДВС.

Модель коленчатого вала дизеля ЗиЛ-645 строилась на основе использования разработанной обобщенной модели его подструктуры в виде одного колена с дополнением ее соответствующими противовесами.

Описаны особенности конечно-элементной модели системы "блок-картер - коленчатый вал", которая синтезирована из разработанных ранее КЭМ соответствующих деталей ДВС. Их объединение производилось с помощью "слоя" конечных элементов, которые имитировали упругомассовые свойства масляной пленки.

В третьей главе описаны методики экспериментальных исследований виброакустических характеристик блок-картеров ДВС.

Проведение экспериментальных работ по исследованию виброакустических характеристик блок-картера ДВС продиктовано необходимостью решения следующих задач: 1. Определение и анализ форм и частот собственных колебаний блок-картера. 2. Оценка достоверности и точности результатов расчета на основании эксперимента по определению форм и частот собственных колебаний блок-картера. 3. Исследование способности блок-картера к акустическому излучению при возбуждении в его конструкции определенной формы собственных колебаний.

В основу методик решения указанных задач положен метод возбуждения исследуемой конструкции гармонической силой.

Аппаратурная часть установки собрана на базе приборов фирмы "Брюль и Къер" (Дания) и ряда отечественных приборов.

Блок-картер возбуждался электродинамическим вибратором с помощью переходника, установленного в отверстии шпильки первой левой коренной опоры. Постоянства силового возбуждения блок-картера в зависимости от частоты в установке обеспечивала цепь обратной связи, которая работала под управлением датчика силы.

Блок-картер подвешивался на упругих растяжках для изоляции его от воздействия посторонних источников колебаний.

Описаны методики определения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и частот и форм собственных колебаний блок-картера. Общее количество точек замера составило 85. Регистрация параметров колебаний наружных поверхностей блок-картера производилась пъезодатчиками, установленными на специальных "грибках", приклеенных на поверхностях.

Описана методика оценки акустического излучения наружны} поверхностей блок-картера с помощью интенсиметрии.

Основные этапы разработанной методики сводятся к следующему: 1. Выбор оптимального расстояния от исследуемой поверхности до точки измерения (Ь) для работы в дальнем звуковом поле. 2. Определение значения радиуса измеряемой поверхности на боковой стенке блок-картера, который зависит от величины направленности акустического зонда. После измерения интенсивности мощность излучения пересчитывается на площадь квадрата, в который вписывается круг измерения. 3. При измерениях излучения требуемой поверхности блок-картера (особенно при больших Ь) она изолировалась от других поверхностей путем экранирования и покрытий. 4. Выполнение обработки полученных результатов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и конечно-элементного моделирования колебательных характеристик деталей ДВС.

Экспериментально определены АЧХ основных элементов блок-картера дизеля ЗиЛ-645: развала блока цилиндров, боковой стенки, а также фронтальной поверхности блок-картера. Затем выделены ФСК в частотном интервале 200... 1700 Гц. Различие по частоте для сравниваемых характерных ФСК поверхностей блок-картера дизеля ЗиЛ-645, определенных в результате проведения натурного и расчетного эксперимента, составило от 18.0...22% в начале частотном интервала и 1.0.. .8.5% в конце. Проведенный сравнительный анализ ФСК, полученных в результате расчетного и натурных экспериментов, показал, что разработанная конечно-элементная модель с достаточной степенью точности позволяет моделировать колебательные характеристики блок-картера.

Рассмотрены результаты исследования колебательных характеристик блок-картера У-образного дизеля ЗиЛ-645 с помощью КЭМ. В результате расчетов по данной модели в диапазоне 100...2500 Гц определены 43 моды ее собственных колебаний, анализ которых позволил произвести систематизацию полученных мод. Выделены по интенсивности амплитуд колебаний три типа ФСК У-образного блок-картера: кручения и изгиба всей конструкции, а также изгибных колебаний его отдельных подструктур. Примеры ФСК блок-картера дизеля ЗиЛ-645, определенных с помощью КЭМ, представлены на рис.1.

Формы собственных колебаний, соответствующие колебаниям кручения всей конструкции, зарегистрированы в низкочастотном диапазоне 300...650 Гц. Если первые формы данного диапазона соответствуют кручению вдоль оси коленчатого вала, то для ФСК более высоких порядков характерно кручение отдельных рядов блока цилиндров относительно вертикальной оси ряда.

Рис.1. Формы собственных колебаний КЭМ блок-картера дизеля ЗиЛ-645 на частотах: а - 494 Гц; б - 661 Гц, в - 1006 Гц ; г - 1105 Гц; д -1250 Гц, е- 1598 Гц

Изгибные колебания всей структуры блока находятся в диапазоне 1000...1250 Гц. Формам собственных колебаний на нижней границе данного интервала частот соответствуют синфазные колебания рядов блока цилиндров. С увеличением частоты отмечены ФСК с колебаниями рядов в противофазе.

Интенсивные собственные колебания отдельных элементов и зон блок-картера практически охватывают весь звуковой диапазон.

Выявлены пульсирующие колебания наружных поверхностей блока цилиндров ряда, которые с позиции акустики представляются достаточно активными.

С увеличением частоты отмечаются ФСК боковых стенок и развала, имеющие узловые линии в местах соединения стенки с перегородками коренных опор при различных фазовых соотношениях по чередованию пучностей, т.е. они колеблются в пределах одного пролета секции блок-картера подобно мембранным. Колебания такого типа отмечены на боковой стенке блока цилиндров и картера, а также в развале.

Представляют практический интерес низкочастотные ФСК со значительными амплитудами колебаний перегородок коренных опор блок-картера. Они могут являться причиной нарушения нормальной работы узлов подшипников коренных опор коленчатого вала и вызывать неуравновешенность ДВС.

Расчетный эксперимент с КЭМ коленчатого вала дизеля ЗиЛ-645 для диапазона частот 100...3000 Гц позволил определить 25 форм собственных колебаний. Пример ФСК коленчатого вала дизеля ЗиЛ-645, полученных расчетом, представлен на рис.2. Результаты анализа ФСК коленчатого вала обобщены и систематизированы.

Для ФСК коленчатого вала характерно распределение амплитуд колебаний как крутильного, так и изгибного вида, разделить зачастую которые представляется затруднительным из-за их различного уровня интенсивности и сложной пространственной структуры коленчатого вала.

Если в низкочастотной области спектра высокие амплитуды колебаний коленчатого вала обусловлены деформацией всей структуры и его подструктур - колен, то с ростом анализируемой частоты интенсивные колебания отмечаются и у отдельных элементов: щек и противовесов.

Начиная с частоты 199 Гц, отмечены изгибные колебания структуры коленчатого вала. На частоте 437 Гц зафиксировано кручение ФСК конструкции, а с частоты 454 Гц до 2295 Гц ФСК представляют собой комбинированные деформации колебаний изгиба и кручения, которые имеют сложный характер. С частоты 786 Гц отмечены колебания с большими

Рис.2. Форма собственных колебаний КЭМ коленчатого вала ЗиЛ-645 на частотах: а,б - 232 Гц; в - 437 Гц; г - 1006 Гц; д -1691 Гц; е - 2038 ГЦ

амплитудами отдельных колен вала, а затем и отдельных элементов. Начиная с частоты 2830 Гц у форм собственных колебаний не зарегистрировано значительных интенсивных колебаний всей структуры коленчатого вала. Однако при этом отмечены значительные колебания его отдельных элементов.

Расчетный эксперимент по оценке характеристик колебательной системы "блок-картер - коленчатый вал" проводился в диапазоне 200...2500 Гц. Определены 43 моды КЭМ системы. На рис.3 представлены характерные ФСК исследованной конструкции.

ФСК, соответствующие колебаниям кручения всей конструкции, отмечены в низкочастотном диапазоне 200...650 Гц. В первых формах этого вида колебаний превалирует кручение вдоль оси коленчатого вала, а для ФСК более высокого порядка характерно кручение отдельных рядов блока цилиндров относительно вертикальной оси ряда.

ФСК изгибного колебания всей структуры конструкции охватывают диапазон 700...1000 Гц. При этом в данном диапазоне отмечаются ФСК как с изгибными синфазными колебаниями рядов блока цилиндров, так и в противофазе.

Изгибные колебания ФСК для отдельных зон блок-картера наблюдаются во всем диапазоне расчета. В конце указанного выше частотного диапазона они подобны колебаниям мембран, границы которых армированы перегородками и продольными плитами блок-картера. ФСК на частоте 1048 Гц характеризуется интенсивными изгибными колебаниями коленчатого вала.

Проведенный анализ ФСК модели системы позволил выполнить систематизацию полученных мод в виде схем колебаний всей структуры и отдельных подструктур конструкции.

Общие выводы, полученные в результате анализа КЭМ системы "блок-картер - коленчатый вал", сводятся к следующему. 1. Аналогично схеме анализа ФСК блок-картера выделены три группы ФСК системы "блок-картер -коленчатый вал": кручения и изгиба всей конструкции, а также изгибных колебаний его отдельных структур и зон. 2. Отмечено снижение по частоте границ диапазонов всех типов ФСК по сравнению с ФСК блок-картера. 3. В системе отсутствуют отдельные ФСК, отмеченные у блок-картера, и образовались новые ФСК, которых нет у блок-картера.

Анализ структуры конструкций системы "блок-картер - коленчатый вал" и блок-картера, а также их колебательных свойств позволил предположить, что снижение ЧСК системы в первую очередь обусловлено существенным

Рис.3. Формы собственных колебаний КЭМ системы "блок-картер -коленчатый вал" дизеля ЗиЛ-645 на частотах: а - 733 Гц; б - 970 Гц; в -1048 Гц; г -1446 Гц

увеличением ее общей массы из-за установки коленчатого вала по сравнению с ростом жесткости.

Появление новых и отсутствие отдельных ФСК, характерных для блок-картера, связано с изменение структуры системы из-за ввода в нее новых связей посредством установки коленчатого вала и определенным перераспределением потоков колебательной энергии по конструкции. Следует отметить, что колебания коленчатого вала в значительной степени определяют характер колебаний нижней части блок-картера - картера.

Выполненный анализ ФСК наружных поверхностей блок-картера позволяет предложить конкретные конструктивные решения, направленные на снижение интенсивности колебаний его отдельных зон для различных частот. Очевидно, что необходимо введение продольных ребер жесткости на наружных поверхностях развала. Для боковой стенки картера в нижней ее части необходимо повышение жесткости в месте установки масляного поддона.

Для исследования влияния числа цилиндров на колебательные характеристики блок-картера из обобщенной модели его секции были сформированы модели 2-, 4- и 6-цилиндровых двигателей с размерностью и базовыми размерами дизеля ЗиЛ-645, а затем рассчитаны и систематизированы. Наблюдается общая тенденция формирования диапазонов групп ФСК различного типа. При уменьшении числа цилиндров ДВС У-образной конструкции снижается длина его блок-картера и, следовательно, возрастает продольная изгибная жесткость его всей структуры. Это приводит к смещению рассмотренных диапазонов ФСК в высокочастотную область спектра. Превалирующую роль здесь играют изгибные колебания боковых стенок в пределах секции блок-картера.

При варьировании упругомассовыми параметрами слоя КЭ, предназначенного для описания масляной пленки и "связки" блок-картера и коленчатого вала в систему, в дальнейшем на последующих этапах работы можно оценить ее влияние на формирование колебательных свойств ДВС.

Расчетное исследование колебательной системы "блок-картер -коленчатый вал" позволило оценить влияние установки коленчатого вала в блок-картер. Такое мероприятие в первом приближении показало, что "связка" крышек всех коренных опор специальной балкой в один блок обеспечивает уменьшение интенсивных колебаний узлов коренных подшипников как с позиции снижения структурного шума, так и с позиции надежной работы подшипников. Так как масса такой связывающей конструкции будет относительно невысокой, то существенного снижения ЧСК произойти не

должно, а амплитуды колебаний перегородок (особенно в противофазе уменьшатся из-за повышения их совместной жесткости.

Анализ акустической активности форм собственных колебаний блок картера, определенных экспериментально с помощью интенсиметрии, пoкaзaJ следующее.

1. Шумоизлучение блок-картера в исследуемом диапазоне часто определяется формами собственных колебаний с частотами 1202 и 1427 Гц. 2 Наибольший вклад в звуковое излучение блок-картера на частоте 1202 П создает левая сторона развала блока цилиндров. 3. На частоте 1427 П акустическое излучение блок-картера определяется шумом правой сторонь развала.

В главе 4 приводятся результаты оценки акустической активности фори собственных колебаний блок-картера, полученных с помощью конечно элементного моделирования.

Рассчитанные ФСК деталей ДВС не позволяют непосредствен« ответить на вопрос о их способности к шумоизлучению. Использовани( численных методов (МКЭ, МГЭ) для решения такой задачи затруднено из-з; не до конца отработанных алгоритмов решения, а также высоких требований вычислительной технике. Поэтому был разработан расчетный метод экспресс оценки акустики ФСК корпусных деталей ДВС для сравнения шумоизлучени! отдельных поверхностей блок-картера, а также оценки акустическое активности ряда отдельных ФСК поверхности в рассматриваемом частотноь диапазоне. Метод базируется на использовании в качестве оценочной параметра обильности (производительности), представляющей собой сумм; произведений по всем наружным конечным элементам их средне! колебательной скорости на площадь. Он позволяет автоматизировать процео передачи результатов по рассчитанным ФСК (распределения амплиту; колебаний по наружным поверхностям ДВС в трехмерной постановке) I качестве исходной информации в систему акустических расчетов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа и систематизации методов моделировани) структурного шума ДВС разработан общий подход к методическом; обеспечению моделирования корпусных деталей двигателей У-образно! компоновки для исследования их колебательных свойств и разработа! генератор обобщенных конечно-элементных моделей деталей ДВС с цельк его включения в состав САПР виброакустики ДВС.

2. Разработанная обобщенная конечно-элементная модель - блок-картера ДВС У-образной компоновки позволяет формировать конструкции двигателей с различным числом цилиндров. В результате расчетно-теоретического исследования частот и форм собственных колебаний (ФСК) блок-картера дизеля ЗиЛ-645 выделены частотные диапазоны образования различных типов ФСК У-образного блок-картера: кручения (300...650 Гц) и изгиба (1000...1250 Гц) всей конструкции, а также изгибных колебаний его подструктур (весь исследуемый диапазон) и отдельных зон (высокочастотная область спектра). Проведенный расчетный эксперимент по оценке влияния числа цилиндров для 2-, 4-, 6-, 8-цилиндровых ДВС У-образной компоновки на колебательные характеристики блок-картера позволил выполнить анализ особенностей образования ФСК этих конструкций.

3. Предложена обобщенная модель коленчатого вала ДВС для формирования колебательной системы "блок-картер - коленчатый вал" и проведено расчетно-теоретическое исследование частот и форм собственных колебаний коленчатого вала дизеля ЗиЛ-645. Установлено, что в низкочастотной области спектра формы собственных колебаний характеризуются интенсивными колебаниями всей структуры коленчатого вала, а с повышением частоты отмечены ФСК со значительными колебаниями его отдельных элементов.

4. Сформированная конечно-элементная модель колебательной системы "блок-картер - коленчатый вал" позволила выполнить расчетное исследование частот и форм собственных колебаний для дизеля ЗиЛ-645, провести их систематизацию и выделить диапазоны характерных ФСК. Отмечено снижение по частоте диапазонов всех типов ФСК по сравнению с ФСК блок-картера на 20...33%. Разработанная КЭМ системы "блок-картер -коленчатый вал" позволяет также проводить анализ влияния масляной пленки на характеристики колебательной системы.

5. На основании анализа форм собственных колебаний подтверждена целесообразность связки перегородки коренных опор блок-картера продольной балочной системой, объединяющей крышки всех коренных подшипников двигателя.

6. Разработаны методики и создана установка для экспериментальной оценки колебательных свойств наружных поверхностей деталей ДВС и акустической активности отдельных ФСК с использованием интенсиметрии.

7. Достоверность предложенной обобщенной конечно-элементной модели У-образного блок-картера подтверждена экспериментальными исследованиями колебательных характеристик дизеля ЗиЛ-645. Погрешность

расчета частот собственных колебаний в области наиболее активного шумоизлучения блок-картера составляет 1.0...8.5 %.

8. Экспериментальное исследование акустического излучения ряда форм собственных колебаний блок-картера дизеля ЗиЛ-645 позволило сравнить их излучательную способность и выделить наиболее акустически активные ФСК. Разработанный программный комплекс для экспресс-оценки по параметру обильности форм собственных колебаний позволяет оперативно выполнять анализ их акустической активности в процессе расчетного эксперимента при отработке методов управления колебательными характеристиками корпусных деталей ДВС в составе САПР виброакустики

две.

Основные положения диссертации опубликованы в следующей печатной работе

Шаукат О., Шатров М.Г., Труш А.Ю. Результаты моделирования колебательных характеристик блок-картеров У-образных ДВС с использованием МКЭ // Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей. М.: МАДИ, 1995. С.89-98.

Подписано к печати 20.09.95. Заказ № 116. Тираж 100 экз.