某型高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性研究

李玉光，魏鎮，楊鐸，朱宇龍

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某型高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性研究

李玉光，魏鎮，楊鐸，朱宇龍

(大連大學，遼寧大連 116000)

采用有限元與邊界元聯合求解的方法對高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性進行研究。利用Pro/E軟件建立了高壓油泵殼體三維模型，利用Abaqus軟件求解其表面振動響應，把其結果作為在Virtual.Lab Acoustics軟件中邊界元求解輻射聲場時的邊界條件，并分析了對整體表面輻射噪聲聲功率貢獻較大的部位，計算結果與試驗結果吻合較好，表明該方法可行性高，并為后續高壓油泵結構的改進設計提供了參考。

高壓油泵；有限元；邊界元；輻射聲場

0 引言

高壓油泵作為發動機機組的一部分，對其表面輻射噪聲特性研究較少。高壓油泵結構振動存在多個振源，如凸輪軸輸入波動、凸輪接觸力激振、柱塞腔壓力變化、軸承載荷沖擊等，并且隨著噴射壓力的增大，噴油系統振動產生的噪聲對整個發動機組輻射噪聲的影響權重越來越大[1]。因此，對其動噪聲研究變得十分重要。通過對高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性的分析，確定主要輻射噪聲的部位，進而為高壓油泵結構的改進設計提供依據。

高壓油泵殼體表面輻射噪聲與表面振動速度成正比關系。在進行高壓油泵殼體表面輻射噪聲特性研究時，需先對其表面振動速度進行分析，在得到振動邊界條件后，通過映射把振動邊界條件轉移到高壓油泵殼體邊界元聲學模型的網格上，進而計算出輻射聲場聲壓分布。

1 結構有限元模型的建立

根據高壓油泵實際裝配，在Pro/E中建立了油泵上蓋、泵體、兩側端蓋的殼體組合結構三維模型，并在Abaqus中建立了其有限元模型，對其中的水孔、油孔、螺紋孔及大部分凸臺都進行了合理的簡化[2]。左側法蘭盤處和軸承蓋均采用正八面體單元，其余各處采用四面體單元，整個模型共有150 878個單元、237 550個節點。高壓油泵殼體的有限元模型如圖1所示。

2 邊界條件的確定

由于輻射聲場的邊界元模型是以結構有限元的振動響應結果作為輸入邊界，因此，首先要對高壓油泵殼體進行振動響應分析。本文中缸體內壁上、曲軸軸承處的瞬態載荷均由試驗測試獲得，在Abaqus中將試驗測試得到的載荷數據施加在殼體有限元模型相應的位置上，并在左側法蘭盤處施加固定位移約束，設定時間步長為0.000 032s，分析過程分為720個子步，提交完成高壓油泵殼體在時域內的振動響應，然后把計算結果導入Virtual.Lab Acoustics中進行傅里葉變換，進而把時域振動響應轉化為頻域振動響應。圖2為高壓油泵殼體在600 Hz時的表面振動速度分布，圖3為高壓油泵殼體上蓋一點三個方向的振動響應曲線。

圖1 高壓油泵殼體有限元模型

圖2 高壓油泵殼體600 Hz時的表面振動速度

由圖2可以看出，高壓油泵殼體在600 Hz時，上蓋的右側和小端蓋處振動速度比較大，底部局部范圍內有較大的振動；左側法蘭盤處振動速度很小，這是因為法蘭盤處施加了固定位移約束，限制了法蘭盤端面的6個自由度，所以左側殼體的振動速度整體較小。

圖3(a)表示節點在方向的振動速度頻譜圖，圖3(b)表示節點在方向的振動速度頻譜圖，圖3(c)表示節點在方向的振動速度頻譜圖。由圖3可以看出，高壓油泵殼體上蓋此節點處在低頻時主要沿、方向振動，且沿方向的振動速度大于沿方向的振動速度；中、高頻時主要為方向的振動，且振速遠遠大于其他兩個方向的振速。

圖3 高壓油泵殼體上蓋一點三個方向的振動速度頻譜圖

為了對高壓油泵表面輻射噪聲做更好的分析及評價，對其進行了模態分析。模態是機械結構固有的振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率振型[3-4]。在法蘭盤處施加固定位移約束，本文中分析頻率是5 000 Hz，所以提取了前30階固有頻率值，如表1所示。

表1 高壓油泵組合結構的前30階固有頻率值

3 聲學邊界元模型的建立

采用聲學邊界元法計算輻射噪聲時，首先要建立聲學邊界元模型，包括邊界節點和單元[5]。為了提高邊界元法的計算速度和保證結果的準確性，模型網格的尺寸一般比較規范，大小比較接近。在聲學邊界元計算中，當聲學網格中最大單元的邊長小于最短波長的1/6時，或者說是小于最高計算頻率點處波長的1/6，可以得到較高的精度[6-7]，即：

本文對高壓油泵進行分析時最高計算頻率是5 000 Hz，所以最大單元的邊長應小于11 mm。本次分析中最大單元邊長取8 mm，劃分完的聲學邊界元網格由9 230個正四面體單元組成。聲學邊界元模型如圖4所示。

圖4 高壓油泵殼體聲學邊界元模型

為了考察高壓油泵表面各部位對總體噪聲的貢獻，根據表面結構的特點，劃分了11個區域，分別為油泵上蓋(區域1)、油泵泵體(區域2、區域3、區域4、區域5、區域6、區域7、區域8、區域9)、大端法蘭盤(區域10)、小端端蓋(區域11)，如圖5所示。

各個區域的聲功率代表著高壓油泵表面各個區域對整體聲功率的貢獻，相當于只有該區域單元振動而其它區域單元設為剛體時的聲功率[8]。

4 半自由聲場的建立

結合工程實際測試要求，聲場分為全自由聲場和半自由聲場。為了計算結果與實際工程測試具有可比性，根據GJB4058船舶設備噪聲、振動測量方法標準，采用圖6中半自由聲場形式[9]。輻射聲場距離高壓油泵的每個側面都是1 000 mm，模型底部加一個對稱平面來模擬地面，此對稱平面為剛性平面。

圖5 高壓油泵殼體區域化模型

5 聲學仿真及結果分析

在進行分析計算時，由于建立的聲學邊界元模型與有限元模型結構外表面網格和節點不是一一對應的，所以在把數據從有限元結構網格轉移到聲學網格上時需要建立一定的映射關系，利用插值方法計算出邊界元模型節點的振動速度，從而確定邊界條件。目標節點的值由源節點上的值確定，具體公式如下[10]：

根據以上映射關系，把振動速度從結構有限元網格轉移到聲學邊界元網格上后，一般通過求亥姆霍茲積分解的方法來對聲場進行計算，在對亥姆霍茲公式求解時需要一定的邊界條件，主要有以下三種邊界條件[11]：

(1) 給定表面聲壓，即狄利克雷(Dirichlet)邊界條件；

本文中高壓油泵表面輻射噪聲特性研究采用紐曼邊界條件，在得到結構表面法向振動速度后，通過求解亥姆霍茲方程得到輻射聲場中各點的聲壓。高壓油泵殼體表面輻射聲功率級曲線如圖7所示，各峰值頻率下輻射聲場聲壓級云圖如圖8所示。

從圖7中可以看出，峰值頻率是600、2 450、2 650、3 050、3 600、5 000 Hz，確定了對輻射噪聲貢獻較大的頻率，其中在600 Hz時，聲功率級達到最大值110 dB。

從圖8中可以看出，高壓油泵表面輻射聲場的聲壓級在90～110 dB之間。頻率在600、2 450、2 650 Hz時，輻射噪聲主要集中在上表面，頻率在3 050、3 600、5 000 Hz時，則主要集中在前、后表面。其中頻率600 Hz時聲壓級出現最大值，位于輻射聲場上表面，其最大值是107 dB。

圖7 表面輻射聲功率級曲線

圖8 各個峰值頻率下輻射聲場聲壓級云圖

由圖9中可以看出，高壓油泵殼體在600 Hz時各部分的輻射噪聲功率較大，其中曲軸安裝位置加強板(區域7)及下側區域(區域8)輻射噪聲功率最大。由表1模態分析結果可知，1 000 Hz以下模態密度較大，600 Hz的模態密度位于第二階固有頻率541.93 Hz與第三階固有頻率677.64 Hz之間，所以在600 Hz時高壓油泵整體振動的速度級比較大，此外，高壓油泵底部結構比較薄弱，剛度小，所以在低頻時振動較大，從而振動產生的輻射噪聲也大。除此之外，各峰值頻率下，泵體下側(區域6、區域7、區域8、區域9)都是主要輻射噪聲部位。

6 試驗測試及結果分析

在高壓油泵樣機生產出來之后，對其輻射噪聲進行了測試。利用Labview軟件和NI9234采集卡搭建聲壓信號測試平臺，對高壓油泵正上方1 m處的測點聲壓進行采集測試。高壓油泵試驗樣機如圖10所示。

根據采樣定理，實際應用中應保證采樣頻率為信號最高頻率的2.56～4倍，在聲學仿真計算中的最高分析頻率為5 000 Hz，所以采樣頻率取15 000 Hz，原始聲壓信號如圖11(a)所示。由于試驗測試不是在消聲室中進行的，所以反射聲波造成的低頻轟鳴噪聲比較嚴重，為了消除低頻信號的干擾，要先濾去原始信號中的直流分量，然后對信號進行高頻濾波，保留400 Hz以上的聲壓信號。試驗測點400 Hz以上的聲壓幅值頻譜如圖12所示，仿真測點聲壓幅值頻譜圖如圖13所示。

圖10 高壓油泵試驗樣機

圖11 原始信號(a)和濾去直流分量后的信號(b)

由圖12可知，試驗測點的頻率在714、2 380、3 571 Hz時出現峰值，且在714 Hz時聲壓幅值最大值為4.2 Pa；由圖13可知，仿真測點的頻率在600、2 450、2 650、3 600 Hz時出現峰值，且在600 Hz時聲壓幅值最大值為5.85 Pa。由此可以看出，試驗測試和仿真計算的峰值頻率比較接近，但試驗測試的聲壓幅值比仿真計算的聲壓幅值小，這是因為在處理數據前期濾去了直流分量造成的。另外由圖12和13可以看出，試驗測點聲壓幅值頻譜圖中的峰值頻率附近頻帶較寬，這是由于試驗房間四周墻壁會產生聲波反射，進而形成混響場所造成。

圖12 試驗測點400 Hz以上聲壓幅值頻譜圖

圖13 仿真測點聲壓幅值頻譜圖

7 結論

(1) 采用有限元和邊界元方法對高壓油泵表面的輻射噪聲特性進行了分析。通過表面輻射聲功率級曲線，得到了對整體輻射噪聲貢獻較大的頻率，其中600 Hz時輻射噪聲最大。

(2) 通過輻射聲場的聲壓云圖，分析了聲場的聲壓分布特性，并結合峰值頻率下各區域的輻射聲功率，確定出泵體下側即曲軸安裝位置處是主要的輻射噪聲部位，其加強板及加強板下側最為嚴重，為后續結構的改進設計提供了參考。

(3) 試驗測取了高壓油泵正上方測點的聲壓信號，并與仿真計算結果進行了對比，吻合較好，證明了高壓油泵殼體計算模型的正確性。

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Research on the radiation noise characteristics of high pressure oil pump housing

LI Yu-guang, WEI Zhen, YANG Duo, ZHU Yu-long

(Dalian University, Dalian 116000, Liaoning, China)

In this paper, the finite element method (FEM) and boundary element method (BEM) are used to study the noise characteristics radiated by high pressure oil pump housing. The Pro/E software is used to establish the 3D model of the high pressure oil pump housing, and the vibration response of the surface of high pressure oil pump housing is derived by using Abaqus software. The results of vibration response are used as the boundary conditions in using the BEM of Virtual.Lab Acoustics software to solve the radiated sound field, and the main contribution regions to the overall radiation noise of high pressure oil pump housing are analyzed. The calculation result is in good agreement with the experimental one, which indicates that this method is feasible and can provide a reference for improving the subsequent structure design of high pressure oil pump.

high pressure oil pump; finite element; boundary element; radiation noise

TH3;642 2.8

A

1000-3630(2019)-01-0077-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.013

2018-03-20;

2018-04-29

國家自然科學基金項目(51275061)

李玉光(1963－), 男, 遼寧大連人, 教授, 研究方向為機械設計。

魏鎮, E-mail: 2550968325@qq.com