内燃机结构声辐射多工况快速计算模型及算法研究

About the research on structural acoustic radiation of internal combustion engine, the current study is mostly for the single condition- from idle to many rated conditions by step calculation at present, And it usually takes very long time. The ATV method of LMS is the most early method of the acoustic radiation calculation computation in multiple loading conditions. But this method still has some problems, for examples, the model compatible processing difficulties, only the default domain point sound pressure calculation, .This project will study from revealing the essential relationship between structural vibration, structural acoustic radiation and radiated acoustic field. Through the deeply researching on exciting loads analysing, structure homeomorphism mapping, structural vibration-acoustics radiant transfer modes and the interpolation algorithm for the other middle working conditions, this to build a fast calculation model based on "structure vibration - acoustics radiation transfer mode（SVATM）" in multiple loading conditions . Discrete topological weak traverse mapping algorithm. Through adopting discrete topological weak traverse mapping algorithm, to realize the embryo structure modes, the calculating of three-dimensional isoparametric transformation mapping about dynamic response result ,and structure radiation noise quickly solve in the condition of Internal combustion engine structure remains and variety of loading conditions. The technology bottleneck will be overcomed that should be used a extremely time-consuming of Helmholtz acoustics integral operations for each running condition. Lay the Foundation for structural acoustics optimization design. This solution of acoustic radiation prediction approach can also be used in the calculation of sound radiation response of the other large complex products. And it has important scientific significance and engineering applications.

当前关于内燃机结构声辐射的研究，大多都是针对单工况开展的，对从怠速到额定诸多工况逐一计算，耗时极长。仅有少数针对多工况计算的研究成果，但存在着"模型相容化"处理困难、只能计算预设"域点"声压、逐点叠加计算而效率不高等问题。.本项目从揭示结构振动、结构声辐射与其辐射声场三者间的本质联系角度，通过对激励载荷、结构体同胚映射、结构振动-声辐射传递模态、中间工况插值算法等方面的深入研究，建立基于"结构振动-声辐射传递模态（SVATM）"的多工况快速计算模型；研究基于拓扑离散谱的弱遍历映射算法，实现同胚结构模态、动响应结果的三维等参正变换映射计算，实现内燃机结构不变、工况多样的载荷条件下的结构辐射噪声快速求解，突破当前对每一工况都要进行一次极其耗时的Helmholtz积分运算的技术瓶颈。该方法还可推广应用于其它大型复杂产品，具有重要的科学意义和工程应用价值。

在3000Hz 以内的中、低频段范围内，经由结构振动激发的结构辐射噪声，是内燃机噪声的重要组成部分，占内燃机整机辐射噪声的80%以上。在设计阶段进行整机振动和辐射噪声的快速预测分析，是进行内燃机振动噪声控制的重要技术措施，是成功设计的重要保障。然而内燃机的结构复杂、运行工况多变，从怠速工况到标定工况跨度极大。当前的声学计算方法，对单一工况的计算耗时就相当可观，完成全运行工况的一轮完整计算的耗时更是极其漫长。. 项目首先将常见的内燃机辐射表面结构抽象归纳为六种辐射板结构形式，以此为研究对象，采用数值计算、实验验证的技术途径，研究“结构的实体模型、用于结构动力学响应计算的有限元离散模型、用于结构辐射特性计算的边界元模型”三者间的同胚结构特征，根据三种数字模型间的拓扑同胚关系，基于结构模态、结构声辐射模态、声场模态三者间的固有传递特性，建立起了一套基于“结构振动-声辐射传递模态”（SVATM）的多工况快速计算数字化模型。通过单一工况的一轮计算，提取到结构对象的SVATM矩阵，分别施加不同的激励载荷，计算得到多种激励条件下的声辐射响应结果。其中，重点开展了基于拓扑离散谱的弱遍历映射算法研究，实现了同胚结构模态、动响应结果的三维等参数正变换映射计算。以某型号柴油机为对象，将针对辐射板结构的研究成果应用于内燃机声学响应计算，进行了针对实际工程对象的验证计算，初步实现了内燃机结构不变、工况多样的载荷条件下的结构辐射噪声快速求解的预期研究目标。. 从对怠速、外特性最大转矩、标定三个典型工况的计算情况对比看，项目的声学计算结果的精度虽然略差于商业软件的精度水平，但项目研究所建立的模型和相关算法在计算速度上优势明显，与当前业界普遍认可的LMS的LMS.Virtual Lab-Acoustic模块的计算耗时对比，可节省50%左右的计算耗时。为内燃机多工况声辐射快速预测分析，初步探寻到一条新的技术途径。