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基于有限元法的声学分析改进柴油机排气消声器

基于有限元法的声学分析改进柴油机排气消声器

为了提高175系列农业柴油机的声学衰减性能, 在自动匹配层的有限元方法的基础上,采用LMS虚拟实验室软件模拟漫散射边界条件, 这是一种可以避免复杂的计算,然后计算出传播声功率,最后获得排气消声器的传输损耗的形式的模拟计算。与实验数据相比,它可以发现,模

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  • 详细描述

    基于有限元法的声学分析改进柴油机排气消声器 
    摘要
           为了提高175系列农业柴油机的声学衰减性能, 在自动匹配层的有限元方法的基础上,采用LMS虚拟实验室软件模拟漫散射边界条件, 这是一种可以避免复杂的计算,然后计算出传播声功率,最后获得排气消声器的传输损耗的形式的模拟计算。与实验数据相比,它可以发现,模拟和测量值之间的很细微的误差,可以准确地模拟频率小于3000 Hz的排气消声器的声学性能,验证声学解决方案的有效性。 一种改进设计是为在中低频率声衰减性能不佳的消声器妥善分配插入插管的长度,增加了长径比,并添加第一个扩张腔的长度。与原设计相比,传输损耗值在中低频率明显增加,所以频率的声衰减性能变得更好。
     
    关键词:柴油机   排气消声器, 声音传输损耗  声学仿真。

    介绍
         随着机动车数量不断增加,噪声污染变得严重,排气噪声已成为发动机的主要噪声源,因此排气消声器作为处理排气噪声的最有效的方法,它的声衰减性能显得尤为重要。1,2目前的主要研究方法测量排气消声器的声学性能包括传递矩阵法、有限元法和边界元法,3同时,有限元法由于其良好的的适应能力已经成为常用的三维分析方法。4 有限元法可以模拟各种类型的消声器,特别适用于复杂形状和横截面结构的消声器;与此同时声波在中低频率精度高。5–7自Clough等人提出了有限元技术在工程领域取得了第一次快速发展,许多国内和国外的专家,一直在做深入研究. Craggs8 首先
     
     
    表一. 消声器的结构尺寸.
     
    结构参数 L L1 L2 Li Lo D D1 D2 D3 D4 d1 d2
    尺寸 (毫米) 140 102 36 80 35 82 28 23 10 10 1 1
     
     
    试图基于有限元法分析消声单元的消声特性为有限元方法在声学领域的应用奠定了巩固的基础. Young 和Crocker9,10第一次采用两维有限元分析方法计算消声器的传递损失, 这促进了有限元方法在消声器方面的进一步研究应用. Ross11用有限元法分析了装有多孔结构消声器的消声特性。 Mechel12 在他的专著中述了有限元方法应用于不同的结构消声器的声学研究. Rong 、Zhengshi13和 Jing14  利用声学有限元法,将复杂消声器作为研究对象,关注其声学特性分析方法.  Guanxin15  探索出结合使用传递矩阵法和有限元法为消声器的优化设计提供了可靠的理论方法. Qihui16考虑空气温度为影响因素,利用有限元法计算实际消声器的传输损失. Lei17基于有限元方法以及研究各种因素影响多孔管架的消声器的声学性能计算不同类型的穿孔管消声器的传输损失。
    在本文中,为了提高175系列农业柴油机排气消声器的声衰减性能, 在自动匹配层的有限元方法的基础上,采用LMS虚拟实验室软件模拟漫散射边界条件, 可以避免复杂的计算,然后计算出传播声功率,最后获得排气消声器的传输损失. 与实验数据相比,它可以发现模拟和测量值之间的很细微的误差,可以准确地模拟频率小于3000 Hz的排气消声器的声学性能,验证声学解决方案的有效性。最后,将提出改进方案,并在此基础上验证模型,它将通过模拟发现消声器的声衰减性能是否更好。

    消声器的建模
    几何参数
        如图1所示,排气消声器有两个共振腔, 即第一个共振腔V1和第二个共振腔 V2,总长度L和直径D分别为140毫米和82毫米; 第一个共振腔长度和第二个共振腔长度分别是102毫米和36毫米; 入口插管长度和排气插管长度是分别80毫米和35毫米; 特定的大小如表1所示。

    Figure 1. 2D排气消声器的原理图:图外部结构(a)和(b)内部结构尺寸图。
    1,安装支架; 2, i进口插管; 3,筛孔隔膜; 4 和 5,噪声消除孔; 6, 插管排气; 7 和8, 紧固螺母; 9, 附件螺丝, V, 共振腔; V1, 第一个空腔谐振器; V2, 第二空腔谐振器; L, 空腔长度; L1, f第一个共振腔长度; L2, 第二个共振腔长度; Li, i进口插管长度; Lo, 排气插管长度; D, 腔直径; D1, 插管入口直径; D2, 排气插管直径; D3 和D4, 噪声消除孔直径; d1, 腔壁厚; d2, 筛孔隔膜壁厚
     
     
    三维建模
    如图2所示,消声器基于UG软件建立三维模型。另外,图一(a)是通过忽略连接螺钉和角的影响简化的外壳模型, 与此同时图一(b)是声学仿真模型,建立了通道反向建模, 即对消声器内部气流区域作为一个离散的实体和分散,就像是消除了外壳建立了内部模拟实体。

    网格构成
         消声器的几何形状比较复杂,有更多的穿孔和内插管子,不适合采用六面体结构网格划分。然而,对于简单的四面体网格, 穿孔地区尺寸太大很容易引起计算误差且太小会减少计算量。18对于本文,将采用某些块网格和混合网格的形状的方法进行区域划分。首先,如图3所示(a),每个结构定义对应不同的颜色; 此外,2.0毫米四面体网格用于进气、排气管道,0.5毫米四面体网格用于每个穿孔,和3毫米六面体结构网格用于常规形状的中部地区。第二,网格单元如图3(b). 至于穿孔管,由于非结构化网格的自适应能力,它可以与结构化网格,保证网格的完整性。如图3(c),筛孔尺寸能够掩盖整个圆形截面,模拟小洞更实际,保证计算精度; 此外,简单的数据结构的特点六
    即对消声器内部气流区域作为一个离散的实体和分散,就像是消除了外壳建立了内部模拟实体。
       LMS声学分析需要高质量的网格,LMS生成的网格质量是粗糙的. 因此,为了验证集成计算机工程和制造业(ICEM)网格质量,ICEM网格常用与LMS网格比较。图4显示了声学网格的比较. 图4(a)表明ICEM外部网格和LMS外部网格第二,进口声学边界条件定义为一阶平面波1 W声功率。之后,声波传输的形式在进口和出口处标结束汽车消声器的基本的平面波,AML可以用于出口边界条件定义为非直接反射边界条件。最后,墙边界条件定义为刚性平面忽视墙上的吸声。

    图4 声学网格的比较:(一)外部网格,(b)LMS生成网格,和(c)ICEM生成网格。
     
    的分布式没有什么不同。然而,至于LMS生成网格如图4(b)所示,其内部网格没有常规增长和大偏差。相反,至于ICEM生成网格如图4(c)所示,其内部网格分布的不错; 与此同时,网格规模和增长的规律都是更好的。因此,它验证网格方法是可行的,并将减少网格质量对声学仿真计算的影响。
    消声器声学模拟
    边界条件的定义
    频率特性分析
        频率的声压轮廓是250,1000,1500,2000,2500,和3000赫兹,分别如图5所示。这表明声压消声器在中低频率从250到1000赫兹符合一维平面波理论的轮廓和声音转移主要以平面波的形式。在对250 Hz轮廓的进一步分析后,发现声压呈现阶梯状分布的趋势,及其振幅几乎是在同一截面相等的。此外,1000 Hz的轮廓显示声压分布反映了平面波传输定律,虽然它看起来是一个小范围内波动的一部分。然后,当频率在1000和2000赫兹之间,声压分布以不规则的轮廓显示; 此外,声压幅值在1500赫兹开始出现大的波动。最后,当频率增加到2500 - 3000赫兹的声压分布不均匀,出现明显的周向和径向波动。总结上述参数,结果表明,声音在传播的过程中会产生较大的谐波频率的增幅。同时,声压分布不均匀和振幅差别很大,导致不适用在平面波理论; 然而,三维声学理论可以准确地模拟内部声场高频。

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