搜索不同參數對壓縮機殼體噪聲輻射的數值分析
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
壓縮機的噪聲輻射最終都是通過殼體的振動輻射出去,為了降低壓縮機的噪聲,并進一步優化殼體的聲學特性,利用數值模擬方法,在合理簡化模型的基礎上,進行了殼體模態分析。然后,研究了不同的參數(泵體支撐方式,集中力作用方向,殼體形狀、厚度和阻尼)對殼體噪聲輻射的影響,給出了有效降低殼體噪聲輻射的方法,其分析結果給壓縮機殼體的設計與優化提供了重要的參考依據。
孟曉宏 金濤 來源:LMS
關鍵字:CAE 壓縮機 殼體 噪聲輻射 數值分析
0 前言
冰箱壓縮機的噪聲是衡量壓縮機品質的主要指標之一,而壓縮機主要是通過殼體的振動輻射噪聲的,因此研究殼體的振動特性以及噪聲輻射具有較大的意義。
目前冰箱壓縮機殼體降噪的方法主要采用試驗研究的方法,且最常采用的降噪措施為增加殼體的厚度,歸振華利用試驗研究的方法研究了兩種不同鋼材和厚度殼體的隔聲效果,但是增加厚度會顯著增加產品成本且試驗的方法具有一定盲目性。李洪亮從圓柱殼振動理論入手,將壓縮機殼體簡化為無限長圓柱殼,并利用形狀系數進行修正,討論了殼體不同參數對殼體噪聲輻射的影響,但是對于復雜形狀的壓縮機殼體分析結果與實際偏差較大。因此,數值模擬對于分析復雜形狀殼體振動特性是一種很有效的方法。
本文以某往復式冰箱壓縮機的殼體為研究對象,基于有限元分析方法,采用ANSYS軟件建立殼體的有限元模型,SYSNOISE軟件進行聲學分析。提取了殼體的振動模態;然后模態分析的基礎上,分析了殼體的厚度,阻尼,形狀,壓縮機泵體與殼體的連接方式以及力的作用方向對殼體噪聲輻射的影響。
1 模態分析
1.1 有限元模型
本文主要分析不同殼體參數下的噪聲輻射,因此將壓縮機的泵體簡化為集中質量,以集中力的形式作用于殼體,僅建立壓縮機殼體及機腳的模型,幾何模型和有限元網格模型如圖1所示。邊界條件為約束殼體的剛體位移,載荷為壓縮機泵體的重力。
(a) 幾何模型 (b) 有限元模型
圖1 殼體的幾何模型和網格模型
1.2殼體模態分析
為分析殼體的噪聲輻射特性,首先提取了殼體的前10階固有頻率,見表1所示,圖2為殼體的前
8階固有振型。可以看出,前四階固有頻率較低,反映的支座的剛度,從第五階開始反映的是殼體本身的振動特性,其中第8階模態為非對稱模態。
表1 殼體前10階固有頻率
圖2 殼體的前8階模態示意圖
2 殼體的噪聲輻射分析
2.1 泵體支撐方式的影響
往復式冰箱壓縮機泵體常采用的支撐方式有兩種,即懸掛方式和底部支撐方式,如圖3所示,兩種連接方式的受力情況如圖4所示,懸掛方式下殼體作用力在三個方向具有分量,而支撐方式下殼體僅受軸向力。
圖3 泵體兩種連接方式示意圖
圖4 懸掛方式殼體受力示意圖
圖5 兩種連接方式殼體的輻射聲功率
圖5為兩種連接方式下殼體的輻射聲功率,從圖可以看出,在2000Hz以下兩種連接方式的聲功率幾乎一樣,而在2000Hz-3000Hz和3500Hz-4500Hz頻率范圍內,底部支撐連接方式下殼體的噪聲輻射明顯低于懸掛方式,因此壓縮機泵體采用底部支撐連接方式有利于降低壓縮機的輻射噪聲。
2.2 集中力作用方向的影響
不同的作用力方向對殼體的激勵不同,因此研究力的作用方向對殼體的噪聲輻射影響很有必要。本文假設有三個方向的力作用于殼體上,分別為徑向力、切向力和軸向力,如圖6所示。
(a) 徑向力作用 (b) 切向力作用 (c) 軸向力作用
圖6 施加在殼體上的三種力
圖7為殼體在三種力作用下的聲功率,由圖可知,徑向力作用下殼體輻射聲功率最大,即徑向力最容易激起殼體的振動,切向力次之,軸向力引起的殼體輻射聲功率最低。由殼體的振型圖可以看出,第5-8階固有振型為殼體的環向振動,在徑向力作用下很容易激起殼體振動并產生共振,而切向力和軸向力作用下不容易激起殼體振動。因此壓縮機泵體采用懸掛方式時,受力比較復雜,三個方向的力同時作用,因此殼體噪聲輻射大;而壓縮機泵體采用底部支撐方式時,受力簡單,僅受軸向力,所以殼體輻射聲功率小。
圖7 不用作用力方向下殼體輻射聲功率
2.3 殼體形狀的影響
殼體噪聲輻射與殼體的固有頻率有著密切關系,而殼體的形狀則影響著殼體的固有頻率,壓縮機的殼體分上下殼體,由于下殼體受泵體的限制其形狀變動不大,因此僅考慮上殼體的形狀對殼體噪聲輻射的影響,即上殼體的圓角半徑,如圖8所示。
圖8 上殼體示意圖
不同的圓角半徑下殼體的固有頻率如表2所示,可以看出,殼體的固有頻率隨著圓角半徑的增大而增高,即殼體的剛度隨著圓角半徑增大而增大。
表2 不同圓角半徑下殼體固有頻率
圖9 不同圓角半徑下殼體輻射聲功率
圖9為不同圓角半徑下殼體輻射聲功率,可以看出,隨著圓角半徑的增大,在1500-2500Hz和3000-5000Hz的頻率范圍里,殼體的輻射聲功率逐漸降低;在1500Hz以下則殼體輻射變化不大。因此,大的圓角半徑有利于降低壓縮機殼體的噪聲輻射。
2.4 殼體厚度的影響
增大殼體厚度是最簡單最常用的降噪方法,本文考慮了三種厚度的殼體,分別為:2mm,3mm,4mm。圖10為三種壁厚下殼體的固有頻率的變化,由圖10可以看出,前四階模態頻率隨著殼體厚度增大而降低,因為厚度增加后殼體的質量相應的增大。從第五階固有頻率后,殼體的固有頻率隨著殼體厚度的增加而增大,因為殼體增厚后其剛度也相應的增大。
圖10 不同壁厚下殼體模態比較
圖11 不同壁厚下殼體輻射聲功率
圖11為不同厚度下殼體的輻射聲功率,可以看出,隨著厚度的增大殼體的噪聲輻射幾乎在整個頻率范圍內逐漸下降,因為厚度增加后殼體的剛度增大,殼體的固有頻率也增大,要激起高固有頻率的殼體振動需要更多能量,因此增加厚度是一種很簡單而有效的降噪方法,且在整個頻帶范圍內都有較好的降噪效果,但是厚度增加后殼體的制造成本就會相應增加。
2.5 殼體阻尼的影響
殼體的阻尼對能量的消耗起著至關重要的作用,本文考慮了三種殼體的結構阻尼,分別為:C=0、C=0.01和C=0.1。圖12為三種阻尼下殼體的輻射聲功率,可以看出,在高頻范圍內,隨著殼體阻尼的增大,殼體輻射聲功率逐漸降低,同時峰值逐漸降低。因此,采用高阻尼的殼體材料有利于降低殼體的高頻噪聲。
圖12 不同結構阻尼下殼體輻射聲功率
3 小結
在分析殼體固有頻率的基礎上,利用有限元和邊界元相結合的方法,研究了不同參數對殼體噪聲輻射的影響,得出以下結論:
(1)泵體采用底部支撐的方式與殼體連接時,殼體的噪聲輻射較低,而采用懸掛方式時殼體的噪聲輻射較高。
(2)力的作用方向對殼體的噪聲輻射有很大的影響,徑向力對殼體的噪聲輻射貢獻最大,切向力次之,而軸向力最小。
(3)上殼體的圓角半徑增大,殼體的固有頻率增大,噪聲輻射則隨著降低,因此大的圓角半徑有利于壓縮機噪聲的降低。
(4)殼體厚度越厚,殼體的噪聲輻射就越低。同時,殼體的阻尼增大后,殼體的噪聲輻射就降低,對應的峰值也會降低。
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