针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111241734 A(43)申请公布日 2020.06.05

(21)申请号 202010021578.0(22)申请日 2020.01.09

(71)申请人 上海索辰信息科技有限公司

地址 201204 上海市浦东新区五星路676弄

27号(72)发明人 穆小红　陈灏　张余萍　(51)Int.Cl.

G06F 30/23(2020.01)G06T 17/20(2006.01)G06F 119/10(2020.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页

CN 111241734 A(54)发明名称

针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法

(57)摘要

本发明一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法包括：对活塞式发动机表面的板式结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型，对三维实体仿真模型进行板式结构的振动模态分析，以得到板式结构的表面模态结果集和表面节点坐标文件；结合有限元模型对三维实体仿真模型进行多体动力学分析获得活塞式发动机的多个不同的激励力；通过对三维实体仿真模型的板式结构施加不同的激励力，利用模态叠加原理计算得到板式结构在不同的激励力下的动响应结果；根据声学边界元模型求解声学物理量的频率范围要求，对有限元模型粗化处理得到包络面网格及节点坐标文件；把动响应结果赋予节点坐标文件的边界元网格节点，计算得到板式结构声辐射的声学物理量。

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权　利　要　求　书

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1.一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、对活塞式发动机表面的板式结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型，对三维实体仿真模型进行板式结构的振动模态分析，以得到板式结构的表面模态结果集和表面节点坐标文件；

S2、结合有限元模型对三维实体仿真模型进行多体动力学分析，获得活塞式发动机的多个不同的激励力；

S3、通过对三维实体仿真模型的板式结构施加不同的激励力，利用模态叠加原理，计算得到板式结构在不同的激励力下的动响应结果；

S4、根据声学边界元模型求解声学物理量的频率范围要求，对三维实体仿真模型的有限元模型进行粗化处理，以得到不同于有限元模型的网格大小、单元密度的包络面网格作为声学边界元网格模型，同时得到声学边界元网格模型的节点坐标文件；

S5、直接把动响应结果赋予声学边界元网格模型的节点坐标文件中的边界元网格节点，并计算得到板式结构声辐射的声学物理量。

2.如权利要求1所述的针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，其特征在于，将步骤S5替换为：根据反距离加权平均法插值计算原理，实现有限元模型与边界元模型间数值迭代映射计算，以得到板式结构声辐射的声学物理量。

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说　明　书

针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法

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技术领域

[0001]本发明涉及工业仿真技术领域，特别是涉及发动机结构振动噪声仿真领域，具体涉及一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法。

背景技术

[0002]目前，国内外的许多专家学者在发动机的结构噪声辐射方面，从不同角度展开了大量的研究。主要有以下几部分：第一，声辐射的机理研究。最有特色的研究工作是通过对声场进行理论重构，来揭示声辐射的本质特征。如Bouchet研究通过一组基函数的线性展开形式来求解结构振动激发的辐射声场特性；第二，声辐射预测方法研究。Gerard利用声学传递向量技术求解内燃机外场的声学参量，在对内燃机结构辐射声场求解技术方面，开展了开创性的研究工作；第三，声辐射模态研究。

[0003]有科研人员结合有限元与边界元法研究内燃机的结构声辐射、以及对单缸式汽油发动机的振动辐射研究。但因活塞式发动机结构复杂，鲜少有人对其进行包括主轴承以及连杆机构等的整体一体化噪声仿真研究。

[0004]目前有学者结合多体动力学和有限元法对内燃机振动、噪声进行了仿真，但耗时巨大，不适用于工程应用。发明内容

[0005]本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，针对活塞发动机耦合振动和噪声进行分析。[0006]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

[0007]本发明提供一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，其特点在于，其包括以下步骤：[0008]S1、对活塞式发动机表面的板式结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型，对三维实体仿真模型进行板式结构的振动模态分析，以得到板式结构的表面模态结果集和表面节点坐标文件；[0009]S2、结合有限元模型对三维实体仿真模型进行多体动力学分析，获得活塞式发动机的多个不同的激励力；[0010]S3、通过对三维实体仿真模型的板式结构施加不同的激励力，利用模态叠加原理，计算得到板式结构在不同的激励力下的动响应结果；[0011]S4、根据声学边界元模型求解声学物理量的频率范围要求，对三维实体仿真模型的有限元模型进行粗化处理，以得到不同于有限元模型的网格大小、单元密度的包络面网格作为声学边界元网格模型，同时得到声学边界元网格模型的节点坐标文件；[0012]S5、直接把动响应结果赋予声学边界元网格模型的节点坐标文件中的边界元网格节点，并计算得到板式结构声辐射的声学物理量。[0013]较佳地，将步骤S5替换为：根据反距离加权平均法插值计算原理，实现有限元模型

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与边界元模型间数值迭代映射计算，以得到板式结构声辐射的声学物理量。[0014]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

[0015]本发明的积极进步效果在于：

[0016]本发明通过把多体动力学及边界元法进行耦合从而解决：[0017]1.活塞式发动机整机振动噪声模拟。与以往分步求解不同，本发明耦合振动和噪声两部分进行一体计算。[0018]2.计算效率高。与有限元噪声算法相比较，边界元噪声算法最主要的优点在于建模过程比较简单，更有利于工程上的噪声分析。附图说明

[0019]图1为本发明实施例1的针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法的流程图。[0020]图2为本发明实施例2的针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法的流程图。具体实施方式

[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0022]实施例1

[0023]如图1所示，本实施例提供一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，其包括以下步骤：

[0024]步骤101、对活塞式发动机表面的板式结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型，对三维实体仿真模型进行板式结构的振动模态分析，以得到板式结构的表面模态结果集和表面节点坐标文件；[0025]步骤102、结合有限元模型对三维实体仿真模型进行多体动力学分析，获得活塞式发动机的多个不同的激励力；[0026]步骤103、通过对三维实体仿真模型的板式结构施加不同的激励力，利用模态叠加原理，计算得到板式结构在不同的激励力下的动响应结果(位移、速度)；[0027]步骤104、根据声学边界元模型求解声学物理量的频率范围要求，对三维实体仿真模型的有限元模型进行粗化处理，以得到不同于有限元模型的网格大小、单元密度的包络面网格作为声学边界元网格模型，同时得到声学边界元网格模型的节点坐标文件；[0028]步骤105、直接把动响应结果赋予声学边界元网格模型的节点坐标文件中的边界元网格节点，并计算得到板式结构声辐射的声学物理量。[0029]实施例2

[0030]如图2所示，本实施例提供一种针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法，其包括以下步骤：

[0031]步骤201、对活塞式发动机表面的板式结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型，对三维实体仿真模型进行板式结构的振动模态分析，以得到板式结构的表面模态结果

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集和表面节点坐标文件；[0032]步骤202、结合有限元模型对三维实体仿真模型进行多体动力学分析，获得活塞式发动机的多个不同的激励力；[0033]步骤203、通过对三维实体仿真模型的板式结构施加不同的激励力，利用模态叠加原理，计算得到板式结构在不同的激励力下的动响应结果；[0034]步骤204、根据声学边界元模型求解声学物理量的频率范围要求，对三维实体仿真模型的有限元模型进行粗化处理，以得到不同于有限元模型的网格大小、单元密度的包络面网格作为声学边界元网格模型，同时得到声学边界元网格模型的节点坐标文件；[0035]步骤205、根据反距离加权平均法插值计算原理，实现有限元模型与边界元模型间数值迭代映射计算，以得到板式结构声辐射的声学物理量。

[0036]耦合多体动力学及边界元法针对活塞式发动机的振动噪声数值模拟方法的关键是把两种方法的结果、输入进行映射计算。活塞式发动机结构的三维实体仿真模型、用于结构动态响应计算的有限元模型及用于结构声辐射特性分析的边界元网格模型，三者是同一对象的三种同胚结构，本发明将根据三种结构的拓扑同胚关系，利用拓扑动力学的拓扑传递特性，将结构有限元模型边界上节点的模态结果等效映射(换算)到声学边界元模型节点上，为声学求解提供精确的边界条件，实现高效、快速的声学求解。[0037]本发明结合多体动力学及边界元法，可以在保证精度的前提下，大大缩短设计时间，尤其适用于实际工程项目。

[0038]虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

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说　明　书　附　图

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图1

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说　明　书　附　图

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图2

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